Os implantes atuais são comumente feitos de osso do próprio paciente, chamados autoenxertos, ou de materiais metálicos e cerâmicos. Os autoenxertos requerem uma operação adicional para coletar o tecido ósseo, o que aumenta o tempo de recuperação e o risco cirúrgico. Os implantes metálicos também podem criar problemas porque são muito mais rígidos que o osso natural e podem afrouxar com o tempo, reduzindo a estabilidade a longo prazo.

Projetando implantes ósseos que funcionam com biologia

O osso é muito mais complexo do que parece. Contém inúmeros túneis microscópicos e espaços ocos que são essenciais para a força e a função. “Para uma cura adequada, é vital que a biologia seja incorporada no processo de reparação”, diz Xiao-Hua Qin, Professor de Engenharia de Biomateriais na ETH Zurique. O reparo ósseo bem-sucedido depende de vários tipos de células que se deslocam primeiro para o implante e depois trabalham juntas para construir um novo tecido.

Para melhor corresponder a esta complexidade biológica, Qin e sua equipe, juntamente com o professor Ralph Müller da ETH, desenvolveram um novo tipo de hidrogel projetado para futuros implantes ósseos. O material macio, de textura semelhante à gelatina, dissolve-se gradualmente dentro do corpo e pode eventualmente permitir implantes personalizados adaptados a pacientes individuais. Suas descobertas foram publicadas recentemente em Materiais Avançados.

Inspirado no processo de cura natural do corpo

Quando um osso se quebra pela primeira vez, o corpo não cria imediatamente tecido duro. Em vez disso, forma uma estrutura macia e permeável. Nos primeiros dias após a lesão, desenvolve-se um hematoma ou hematoma no local da fratura. Esta estrutura temporária permite que as células imunológicas e de reparação se movam enquanto fornecem nutrientes. Uma rede de fibrina mantém essas células unidas. Com o tempo, esta estrutura flexível transforma-se lentamente em osso sólido.

O hidrogel recentemente desenvolvido foi concebido para imitar esta fase inicial de cura. Consiste em 97% de água e 3% de polímero biocompatível. Para controlar quando e onde endurece, os pesquisadores adicionaram duas moléculas especializadas. Um conecta as cadeias poliméricas, enquanto o outro reage quando exposto à luz, desencadeando o processo de solidificação.

Wanwan Qiu, ex-aluno de doutorado de Qin e Müller, criou a molécula de ligação especificamente para esse fim. “Ele permite a rápida estruturação de hidrogéis na faixa submicrométrica”, diz ela. Quando pulsos de laser de um comprimento de onda específico atingem o material, as cadeias poliméricas se ligam imediatamente e formam uma estrutura sólida. As áreas não expostas ao laser permanecem macias e podem ser removidas posteriormente.

Impressão a laser recorde em nanoescala

Usando esta técnica, a equipe pode moldar o hidrogel com precisão e detalhes excepcionais. O laser pode criar estruturas tão pequenas quanto 500 nanômetros.

“Os hidrogéis se assemelham a geleia, tornando-os difíceis de moldar”, diz o professor Qin da ETH. “Com a nossa molécula de ligação recentemente desenvolvida, podemos agora não só estruturar o hidrogel de uma forma estável e extremamente fina, mas também produzi-lo a altas velocidades de escrita de até 400 milímetros por segundo. Este é um novo recorde mundial.”

Em seus experimentos, os pesquisadores produziram estruturas de hidrogel altamente detalhadas modeladas em osso real. Usando imagens médicas como guia, eles recriaram a delicada rede conhecida como trabéculas que dá ao osso sua força interna.

O próprio osso natural contém uma rede surpreendente de canais cheios de fluido com apenas nanômetros de largura. “Um pedaço de osso do tamanho de um dado contém 74 quilômetros de túneis”, diz Qin. Para efeito de comparação, o Túnel Base de São Gotardo, o túnel ferroviário mais longo do mundo, se estende por 54 quilômetros.

Os primeiros testes de laboratório mostram resultados promissores

Até o momento, o material foi avaliado apenas em experimentos de laboratório. Em estudos em tubos de ensaio, as células formadoras de osso moveram-se rapidamente para o hidrogel estruturado e começaram a produzir colágeno, um componente essencial do osso. Os pesquisadores também confirmaram que o material é biocompatível e não agride essas células. O material base foi patenteado e a equipe pretende disponibilizá-lo aos fabricantes de produtos médicos.

O objetivo final é trazer implantes à base de hidrogel para uso clínico para reparar ossos quebrados. Pesquisas adicionais ainda são necessárias. Qin está preparando estudos em animais em parceria com o AO Research Institute Davos. Esses testes examinarão se o material suporta o movimento das células formadoras de osso dentro dos organismos vivos e se pode restaurar a resistência óssea ao longo do tempo.