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Hidrogéis? Muitas pessoas usam essas substâncias sem saber. Como superabsorventes em fraldas, por exemplo, os hidrogéis absorvem muito líquido. No processo, o material inicialmente seco torna-se gelatinoso, mas não molha. Algumas pessoas colocam o material expansível em seus globos oculares – as lentes de contato gelatinosas também são apenas hidrogéis. O mesmo vale para gelatina e outros materiais do dia a dia.
Hidrogéis também desempenham um papel na ciência. Do ponto de vista químico, são longas moléculas poliméricas tridimensionais reticuladas que formam cavidades. No interior, eles podem absorver e reter moléculas de água.
No grupo de trabalho do ex-professor de química de Würzburg, Robert Luxenhofer, a adequação de hidrogéis para biofabricação está sendo testada: por exemplo, hidrogéis podem ser usados para impressão 3D como estruturas de andaime, nas quais as células podem ser anexadas. Desta forma, por exemplo, tecidos artificiais podem ser produzidos para pesquisas médicas e terapias regenerativas.
A formação de hidrogel representa um quebra-cabeça
Durante esta pesquisa, o Dr. Lukas Hahn, da equipe de Luxenhofer, notou uma forma incomum de formação de hidrogel. Ele observou isso em polímeros destinados à nanomedicina, especificamente para entrega de drogas.
Esses polímeros se organizam em nanopartículas esféricas em água a 40 graus. Quando a água é resfriada abaixo de 32 graus, as esferas se agrupam em estruturas semelhantes a vermes e um gel é formado. Quando aquecido, ele se dissolve novamente.
“Esse comportamento é muito raro em polímeros sintéticos e foi completamente inesperado”, explica Robert Luxenhofer, que agora ensina e pesquisa na Universidade de Helsinque. Se isso ocorrer, a formação do gel geralmente ocorre devido a ligações de hidrogênio – forças atrativas entre grupos funcionais polares envolvendo átomos de hidrogênio que têm um efeito estabilizador. Tais interações são de importância central para a estrutura e função das proteínas, por exemplo.
No entanto, as coisas são bem diferentes com os polímeros com os quais estamos lidando aqui. Em termos de sua estrutura química, eles não são capazes de formar ligações de hidrogênio entre si. Aparentemente, os pesquisadores se depararam com um mecanismo desconhecido de formação de gel.
Avanço com espectroscopia de NMR
Para resolver o quebra-cabeça, Robert Luxenhofer buscou uma cooperação com a professora de química Ann-Christin Pöppler da Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), especialista na caracterização de nanopartículas feitas de polímeros. Em cooperação com outros grupos de pesquisa, sua equipe examinou mais de perto a forma peculiar de formação do gel – um quebra-cabeça complexo que levou dois anos para ser resolvido.
“Conseguimos elucidar o mecanismo desconhecido porque usamos uma ampla variedade de ferramentas analíticas. No final, porém, a descoberta veio com vários métodos de espectroscopia de RMN”, explica o químico da JMU. Sua aluna de doutorado, Theresa Zorn, descobriu o que leva à formação de gel neste caso: interações específicas entre grupos amida dos anéis solúveis em água e fenil dos blocos de construção de polímeros não solúveis em água. Essas interações fazem com que as nanopartículas esféricas se condensem e se reestruturem em estruturas semelhantes a vermes.
As descobertas podem ser confirmadas por cálculos teóricos: o Dr. Josef Kehrein, ex-aluno de doutorado do professor Christoph Sotriffer da JMU, especialista em modelagem auxiliada por computador de interações tridimensionais entre moléculas, conseguiu fazê-lo. Ele também está trabalhando em Helsinque.
Os resultados foram publicados em ACS Nano, um jornal da American Chemical Society (ACS). A Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), a Academia da Finlândia e outros apoiadores financiaram o trabalho.
Quais etapas de pesquisa seguem
Para onde vamos daqui? Os pesquisadores estão convencidos de que o mecanismo recém-descoberto de formação de hidrogel também é relevante para outros polímeros e para suas interações com tecidos biológicos.
Portanto, a equipe quer modificar quimicamente os polímeros para ver como isso afeta suas propriedades e hidrogelificação. Pode ser possível influenciar especificamente a temperatura de gelificação, bem como a resistência e durabilidade do gel. Dos materiais modificados, pode-se selecionar aqueles que são mais adequados para uso em biofabricação.
Financiada pela Universitätsbund Würzburg, a equipe de Ann-Christin Pöppler também quer investigar se as nanopartículas e, portanto, também o hidrogel podem ser carregados com “moléculas convidadas”. Isso pode ser interessante para aplicações médicas – se o gel se dissolver à temperatura do corpo, pode liberar as substâncias ativas com as quais foi carregado anteriormente. Aplicações na forma de implantes, emplastros ou lentes de contato são concebíveis.
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