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  23.04.18

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Engenharia tecidual com uso de nanofibras é nova tecnologia para desenvolver substitutos de tecidos em estudo no IPT


Regeneração de ossos lesados em acidentes, substituição ou reparo de pele após queimaduras e reposição de dentes perdidos por traumas: estes são três exemplos possíveis de uso da engenharia tecidual (também conhecida como engenharia de tecidos), que é o campo interdisciplinar no qual princípios da engenharia, da biologia e de ciências da vida são aplicados para o desenvolvimento de moléculas, células, tecidos e órgãos destinados a substituir, ou apoiar, as funções de partes defeituosas ou lesadas do corpo humano. O termo foi associado em sua origem a próteses e a dispositivos de manipulação cirúrgica de tecidos na década de 1980 e hoje envolve até mesmo a utilização de células tronco na bioengenharia para criar desde ossos e músculos até nervos e cartilagens.

Para a criação de um tecido substituto, células devem ser colhidas e expandidas em uma matriz tridimensional (natural ou sintética) na presença de proteínas e/ou fatores de crescimento.
Maria Helena Ambrosio Zanin e Vanessa Tiemi Kimura: desenvolvimento de produtos específicos para cada demanda é tendência na engenharia tecidual
 
A esta matriz, que irá atuar como suporte para o crescimento celular do tecido substituto a ser reimplantado no paciente, se dá o nome de scaffold, ou arcabouço, que foi o tema da dissertação de mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais de Vanessa Tiemi Kimura, da Escola Politécnica da USP, em um projeto realizado em parceria com o IPT dentro do Programa Novos Talentos.

Graduada em Engenharia Química pela Unifesp, Vanessa escolheu como objeto de estudo scaffolds híbridos de nanofibras, que foram formados por materiais poliméricos naturais e sintéticos. Blendas (misturas) de policaprolactona (PCL) e gelatina foram selecionadas pelo fato de serem biodegradáveis e oferecerem uma combinação das boas propriedades mecânicas do PCL com a hidrofilicidade (afinidade com a água) e as especificidades para promover a adesão celular da gelatina.

“O objetivo do trabalho foi avaliar diferentes espessuras de scaffolds, produzidas com nanofibras obtidas pelo processo de eletrofiação, em relação às suas propriedades principais”, diz Vanessa. Quatro conjuntos de scaffolds foram fabricados sob as mesmas condições, apenas aumentando o tempo de duração do processo, sob a orientação da professora Wang Shu Hui, da USP, e da pesquisadora Maria Helena Ambrosio Zanin, do Laboratório de Processos Químicos e Tecnologia de Partículas do IPT.

Pelo fato de ser uma área recente em pesquisa multidisciplinar, uma série de desafios ainda está presente na construção dos scaffolds, como a preocupação em garantir que a estrutura promova a vascularização dos tecidos construídos e a dificuldade para alcançar uma inserção precisa de diferentes tipos celulares.

Além disso, o tipo de material de construção pode interferir na diferenciação celular, no caso de células-tronco, e os tempos da degradação do material e de regeneração do tecido alvo devem ser compatíveis – uma das grandes vantagens dos scaffolds criados a partir de polímeros biodegradáveis é a eliminação da necessidade de retirar o implante, como ocorre frequentemente com os materiais metálicos, pois o scaffold se degrada ao mesmo tempo em que o tecido se recompõe.

“Dentro da área de engenharia tecidual, a área de ortopedia tem sido a mais explorada mundialmente para a aplicação; aqui no Brasil, alguns grupos estão trabalhando neste campo, mas os custos são altos por conta dos polímeros empregados e do uso de banco de células”, explica Maria Helena. “A tendência é o desenvolvimento de produtos específicos para cada demanda, porque estamos falando em regenerar tecidos, o que é diferente para cada doença e, em muitos casos, para cada indivíduo”.

PASSO A PASSO – A primeira etapa do projeto de Vanessa foi o desenvolvimento do scaffold propriamente dito a partir de nanofibras e a escolha da tecnologia para a sua produção. “Existem diversos processos para a criação das nanofibras, mas o processo de eletrofiação tem como diferenciais a versatilidade, a simplicidade e, principalmente, as condições possíveis de operação em escala laboratorial e industrial, ao contrário de outras opções como o self assembly e a separação de fases. Como o IPT desenvolve pesquisa aplicada, os seus laboratórios buscam sempre processos em que seja possível transferir a tecnologia para a indústria", explica Maria Helena Zanin, pesquisadora que iniciou os estudos e implantou a tecnologia de eletrofiação para a produção de nanofibras no IPT.

Apesar de a literatura disponível indicar as etapas de fabricação de um scaffold, explica Vanessa, qualquer mudança na escolha do polímero e do solvente altera as variáveis de processo. Para o estudo, o polímero escolhido permaneceu o mesmo desde o início, mas diversos solventes foram testados para encontrar o mais adequado e evitar o uso de formulações orgânicas e mais tóxicas – o ácido acético acabou sendo o escolhido.

“A escolha do polímero e do solvente são determinantes para a aplicação fim: levou-se em conta que o polímero pudesse ser submetido ao processo de eletrofiação e o solvente residual não fosse um contaminante para produto final”, afirma Vanessa.
Microscopia eletrônica de varredura (MEV) de scaffold polimérico de PCL:Gelatina (magnificação de 5.000 vezes)
 
“É necessário buscar os melhores parâmetros para produzir as nanofibras e, para avaliar o seu desempenho, executar ensaios de resistência mecânica porque o scaffold precisa ser resistente durante a sua aplicação – em um implante, por exemplo, ele deve suportar as forças exercidas pelo profissional da saúde durante o procedimento cirúrgico e também ‘apoiar’ as células, daí a necessidade de executar ensaios para testar a estrutura”.

Testes físico-químicos e de análise térmica foram também realizados para avaliar se o polímero havia sofrido alguma alteração durante o processo de fabricação, assim como de molhabilidade por água, por conta da necessidade de adesão das células.

RESULTADOS – Os resultados do estudo de Vanessa indicaram que as espessuras aumentaram proporcionalmente ao tempo de eletrofiação, variando de 100 nanometros a 300 nanometros nos períodos de uma a três horas, enquanto a densidade aparente e a porosidade mantiveram-se constantes.

As micrografias das membranas revelaram fibras lisas com diâmetros maiores para os scaffolds de menor espessura, e fibras irregulares com diâmetros menores e regiões fundidas ou ligadas para os scaffolds de maior espessura. Além disso, o aumento da espessura melhorou a resistência mecânica e a molhabilidade.

A esterilização por peróxido de hidrogênio não modificou quimicamente a composição das membranas de PCL/gelatina, embora algumas amostras tenham se deformado. As membranas também apresentaram bons resultados de citotoxicidade (propriedade nociva de uma substância em relação às células), apesar de esses valores terem diminuído minimamente para os scaffolds de maior espessura, provavelmente devido à maior quantidade de PCL.

Após a defesa da dissertação de mestrado, Vanessa continua se dedicando ao projeto e, atualmente, realiza ensaios de caracterização biológica. Para isso, ela conta com o apoio da pesquisadora Patricia Leo, do Laboratório de Biotecnologia Industrial do IPT, e da professora responsável pelo Laboratório de Engenharia Celular do Hemocentro da Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Botucatu, Elenice Deffune. Os testes são realizados com células-tronco mesenquimais, ou seja, células adultas, nesse caso retiradas de tecido adiposo.