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Na busca por desenvolver materiais realistas para substituir e reparar partes do corpo humano, os cientistas enfrentam um desafio formidável: os tecidos reais geralmente são fortes e elásticos e variam em formato e tamanho.
Uma equipe liderada pela CU Boulder, em colaboração com pesquisadores da University of Pennsylvania, deu um passo crítico para decifrar esse código. Eles desenvolveram uma nova maneira de imprimir material em 3D que é ao mesmo tempo elástico o suficiente para suportar as batidas persistentes do coração, resistente o suficiente para suportar a carga esmagadora colocada nas articulações e facilmente moldável para se ajustar aos defeitos exclusivos de um paciente.
Melhor ainda, ele adere facilmente ao tecido úmido.
A sua descoberta, descrita na edição de 2 de agosto da revista Ciênciaajuda a abrir caminho para uma nova geração de biomateriais, desde bandagens internas que administram medicamentos diretamente no coração até adesivos de cartilagem e suturas sem agulha.
“Os tecidos cardíaco e cartilaginoso são semelhantes, pois têm capacidade muito limitada de se reparar. Quando são danificados, não há como voltar atrás”, disse o autor sênior Jason Burdick, professor de engenharia química e biológica no BioFrontiers Institute da CU Boulder. “Ao desenvolver materiais novos e mais resilientes para aprimorar esse processo de reparo, podemos ter um grande impacto nos pacientes.”
‘Bolhas’ de minhoca como inspiração
Historicamente, dispositivos biomédicos foram criados por meio de moldagem ou fundição, técnicas que funcionam bem para produção em massa de implantes idênticos, mas não são práticas quando se trata de personalizar esses implantes para pacientes específicos. Nos últimos anos, a impressão 3D abriu um mundo de novas possibilidades para aplicações médicas, permitindo que pesquisadores produzam materiais em muitas formas e estruturas.
Ao contrário das impressoras comuns, que simplesmente colocam tinta no papel, as impressoras 3D depositam camada após camada de plástico, metais ou até mesmo células vivas para criar objetos multidimensionais.
Um material específico, conhecido como hidrogel (o material do qual as lentes de contato são feitas), tem sido um dos preferidos para a fabricação de tecidos, órgãos e implantes artificiais.
Mas levar esses materiais do laboratório para a clínica tem sido difícil porque os hidrogéis impressos em 3D tradicionais tendem a quebrar quando esticados, rachar sob pressão ou são rígidos demais para serem moldados ao redor dos tecidos.
“Imagine se você tivesse um plástico rígido aderido ao seu coração. Ele não se deformaria conforme seu coração bate”, disse Burdick. “Ele apenas se fraturaria.”
Para atingir força e elasticidade em hidrogéis impressos em 3D, Burdick e seus colegas se inspiraram em vermes, que repetidamente se enroscam e se desembaraçam uns nos outros em “bolhas de vermes” tridimensionais que têm propriedades sólidas e líquidas. Pesquisas anteriores mostraram que incorporar cadeias de moléculas entrelaçadas de forma semelhante, conhecidas como “emaranhamentos”, pode torná-los mais resistentes.
Seu novo método de impressão, conhecido como CLEAR (de Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox starting), segue uma série de etapas para entrelaçar moléculas longas dentro de materiais impressos em 3D, muito parecidos com aqueles vermes entrelaçados.
Quando a equipe esticou e colocou peso nesses materiais no laboratório (uma pesquisadora chegou a passar por cima de uma amostra com sua bicicleta), eles descobriram que eles eram exponencialmente mais resistentes do que os materiais impressos com um método padrão de impressão 3D conhecido como Digital Light Processing (DLP). Melhor ainda: eles também se conformaram e aderiram aos tecidos e órgãos dos animais.
“Agora podemos imprimir em 3D materiais adesivos que são fortes o suficiente para suportar mecanicamente o tecido”, disse o co-primeiro autor Matt Davidson, um pesquisador associado no Burdick Lab. “Nunca fomos capazes de fazer isso antes.”
Revolucionando o cuidado
Burdick imagina um dia em que esses materiais impressos em 3D poderão ser usados para reparar defeitos em corações, administrar medicamentos regeneradores de tecidos diretamente em órgãos ou cartilagens, conter discos protuberantes ou até mesmo costurar pessoas na sala de cirurgia sem causar danos aos tecidos, como acontece com uma agulha e uma sutura.
Seu laboratório entrou com um pedido de patente provisória e planeja iniciar mais estudos em breve para entender melhor como os tecidos reagem à presença desses materiais.
Mas a equipe enfatiza que seu novo método pode ter impactos muito além da medicina — em pesquisa e fabricação também. Por exemplo, seu método elimina a necessidade de energia adicional para curar, ou endurecer, peças, tornando o processo de impressão 3D mais ecológico.
“Este é um método simples de processamento 3D que as pessoas poderiam usar em seus próprios laboratórios acadêmicos, bem como na indústria, para melhorar as propriedades mecânicas de materiais para uma ampla variedade de aplicações”, disse o primeiro autor Abhishek Dhand, pesquisador do Burdick Lab e candidato a doutorado no Departamento de Bioengenharia da Universidade da Pensilvânia. “Ele resolve um grande problema para a impressão 3D.”
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