Há crianças comemorando as férias deste ano com suas famílias, graças aos dispositivos médicos impressos em 3D criados no laboratório do pesquisador da Georgia Tech, Scott Hollister. Por mais de 10 anos, Hollister e seus colaboradores desenvolveram talas para vias aéreas específicas para pacientes que salvam vidas, para bebês com defeitos congênitos raros.



Esses dispositivos de suporte de vias aéreas personalizados são feitos de um poliéster biocompatível denominado policaprolactona (PCL), que tem a vantagem de ser aprovado pela Food and Drug Administration. Os pesquisadores usam sinterização seletiva a laser para aquecer o poliéster em pó, que se une como uma estrutura sólida. Dispositivos feitos de PCL apresentam um ótimo histórico de segurança quando implantados em pacientes.

Infelizmente, o PCL tem a desvantagem de ter propriedades mecânicas relativamente rígidas e lineares, o que significa que este biomaterial promissor ainda não foi aplicado funcionalmente a algumas outras necessidades biomédicas críticas, como a engenharia de tecidos moles. Como transformar um termoplástico firme em algo flexível e possivelmente capaz de crescer com o paciente? O laboratório de Hollister descobriu como.

“Design auxético 3D”, disse Jeong Hun Park, cientista pesquisador do laboratório de Hollister que liderou o recente estudo da equipe que demonstra o sucesso da impressão 3D de PCL para engenharia de tecidos moles. Um material auxético, diferentemente dos elásticos comuns típicos, possui um índice de Poisson negativo. Isso significa que se você esticar um material auxético longitudinalmente, ele também se expandirá na direção lateral, enquanto a maioria dos materiais ficará mais fina lateralmente (porque têm um coeficiente de Poisson positivo).

Assim, uma estrutura auxética pode expandir-se em ambas as direções, o que é útil quando se consideram aplicações biomédicas para humanos, cujos corpos e partes podem mudar de tamanho e forma ao longo do tempo e compreender muitas texturas e densidades diferentes. A equipe de Hollister decidiu dar ao PCL geralmente firme algumas novas propriedades auxéticas.

"Embora as propriedades mecânicas e o comportamento da estrutura 3D dependam das propriedades inerentes do material de base - neste caso, PCL - ela também pode ser significativamente ajustada através do projeto de arquitetura interna", explicou Park.

Park orientou o projeto de estruturas impressas em 3D compostas de pequenas escoras, dispostas em ângulos retos – imagine os ossos de minúsculos arranha-céus. A equipe começou criando primeiro estruturas em forma de cubo, para testar a flexibilidade, resistência e permeabilidade do design auxético.

O trabalho está publicado na revista Advanced Functional Materials .

Comportamento flexível

Basicamente, um material auxético é uma estrutura de rede projetada pela montagem de células unitárias. Essas células unitárias consistem em escoras e suas juntas que se cruzam, que são um aspecto importante do comportamento de um dispositivo auxético. A rotação dessas juntas que se cruzam dentro da rede, sob compressão ou extensão, causa o comportamento negativo de Poisson. Ele também permite desempenho avançado para um dispositivo impresso, incluindo absorção de energia de impacto, resistência à indentação e alta flexibilidade.

"Quando você olha para os números, com base no trabalho de Jeong Hun, a nova estrutura é cerca de 300 vezes mais flexível do que a típica estrutura sólida que fazemos de PCL em nosso laboratório", disse Hollister, professor do Departamento de Wallace H. Coulter de Engenharia Biomédica na Georgia Tech e Emory University, onde também ocupa a cátedra Patsy e Alan Dorris em Tecnologia Pediátrica e atua como presidente associado do departamento para pesquisa translacional.

A combinação de flexibilidade e resistência num dispositivo é particularmente importante aqui, disse Park, porque o objectivo final da investigação é "aplicar esta estrutura para desenvolver um implante de reconstrução mamária que tenha propriedades biomecânicas comparáveis ​​às do tecido mamário nativo. Actualmente, não Não temos uma opção de implante mamário biodegradável no ambiente clínico”.

Ele explicou que esses implantes biodegradáveis ​​de reconstrução mamária servem como uma espécie de andaime. A ideia é que o material biocompatível (PCL) eventualmente se degrade e seja absorvido pelo corpo, mantendo propriedades mecânicas semelhantes às do tecido mamário nativo.

“Esperamos que o tecido nativo seja primeiro infiltrado nos poros do implante biodegradável”, disse Park. “O volume do tecido aumentará então dentro do implante à medida que ele se degrada e, eventualmente, o próprio dispositivo será substituído pelo tecido após a degradação completa do implante”.

Expansão da rede celular

Essencialmente, o implante mamário impresso em 3D foi projetado para fornecer suporte reconstrutivo e, ao mesmo tempo, facilitar o crescimento de novo tecido.

O espaço entre esses pequenos suportes faz toda a diferença para o dispositivo maior, conferindo-lhe uma suavidade e flexibilidade que de outra forma seriam impossíveis. Esses espaços eventualmente podem ser preenchidos com hidrogel que ajudará a promover o crescimento de células e tecidos.

A auxética arquitetada pela equipe também inclui o design de vazios internos e espaços dentro das escoras, criando uma espécie de microporosidade que permite o transporte em massa de oxigênio, nutrientes e metabólitos para nutrir a expansão e o crescimento de uma rede celular.

Park está trabalhando com a cirurgiã de Emory, Angela Cheng, no envio de uma bolsa para pesquisas e testes adicionais do implante mamário. E a equipe já está adaptando a tecnologia para outras aplicações. Um dos colaboradores dessa pesquisa, por exemplo, é Mike Davis, cujo laboratório na Emory é voltado para regeneração cardíaca.

"Devido à grande flexibilidade, eles estão usando-o para reconstruir tecido miocárdico infartado ou necrótico", disse Hollister.

E Park desenvolveu uma versão auxética da tala traqueal pediátrica. “A vantagem é que com esse design ele pode se expandir em duas direções”, disse ele. “Assim, à medida que os pacientes jovens crescem, o novo dispositivo crescerá com eles”.

Mais informações: Jeong Hun Park et al, Impressão 3D de implantes auxéticos de poli-ε-caprolactona (PCL) com desempenho avançado para engenharia de tecidos moles de grande volume, Materiais funcionais avançados (2023). DOI:10.1002/adfm.202215220
Informações do diário: Materiais Funcionais Avançados

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia da Geórgia