Um novo material que aciona as células-tronco para começarem a formar osso pode permitir um tratamento mais eficaz para quebras e defeitos ósseos difíceis de curar, diz um engenheiro biomédico da Texas A&M University que faz parte da equipe de desenvolvimento do biomaterial.

A pesquisa da equipe é detalhada na revista científica ACS Nano e é apoiado pela National Science Foundation e pelo National Institutes of Health. Suas descobertas podem mudar a forma como os profissionais médicos tratam ossos fraturados que apresentam dificuldade de cicatrização e muitas vezes requerem procedimentos de enxerto ósseo, diz Akhilesh Gaharwar, professor assistente de engenharia biomédica na Texas A&M.

O biomaterial, que consiste em nano-tamanho, partículas bidimensionais incorporadas em um gel, estimula o crescimento ósseo por meio de um complexo mecanismo de sinalização sem o uso de proteínas conhecidas como fatores de crescimento, Gaharwar explica. Fatores de crescimento são usados ​​em tratamentos convencionais, mas pode levar a efeitos colaterais graves devido às grandes quantidades necessárias para estimular as células, ele diz.

"Estamos tentando superar esses problemas evitando o uso de fatores de crescimento à medida que recapitulamos o processo natural de cicatrização óssea, "Gaharwar diz." Nosso material é totalmente diferente, estratégia alternativa na qual, usando minerais, podemos induzir a diferenciação em células-tronco e promover a formação de tecido semelhante ao osso. "

Esses minerais, Gaharwar explica, são em grande parte ácido ortossilícico, magnésio e lítio - combinados em minúsculas partículas de nanosilicato que são 100, 000 vezes mais fina do que uma folha de papel. As nanopartículas ultrafinas são incorporadas em um hidrogel à base de colágeno, um gel biodegradável utilizado em diversas aplicações biomédicas devido à sua compatibilidade com o corpo.

Quando os nanosilicatos são incorporados a uma matriz de gelatina, vários físicos, as propriedades químicas e biológicas do hidrogel são aprimoradas, Gaharwar explica. Por exemplo, o hidrogel pode ser projetado para permanecer no local da lesão por períodos específicos, controlando as interações entre os nanosilicatos e a gelatina, Gaharwar acrescenta. Esta personalização, Gaharwar diz, pode permitir que o hidrogel injetado entre na cavidade com defeito e ajudá-lo a cicatrizar enquanto se degrada lentamente à medida que é substituído por tecido natural.

Testes sobre as propriedades mecânicas do material também são promissores, Gaharwar diz. Além de sua capacidade de ser injetado no local de uma lesão, o material atinge rigidez três a quatro vezes maior uma vez dentro do corpo, permitindo que ele seja travado no lugar. Isso evita que o material flua para outras partes do corpo, evitando assim efeitos colaterais indesejados, Gaharwar diz.

Os resultados, Gaharwar diz, tem sido positivo, como evidenciado por indicadores de crescimento ósseo de curto e longo prazo. Testes iniciais, ele diz, mostram um aumento de três vezes na atividade da fosfatase alcalina, um marcador para a formação óssea precoce (conhecido como osteogênese). Esta é a confirmação, Gaharwar explica, que o processo de sinalização está de fato "pedindo" às células-tronco que se diferenciem em células ósseas. Marcadores tardios também são positivos, ele adiciona, observando que eles demonstram um aumento de quatro vezes na presença de fosfato de cálcio, um componente principal do osso.

"Os géis nanocompósitos dinâmicos e bioativos que desenvolvemos mostram uma forte promessa em aplicações de engenharia de tecido ósseo, "Gaharwar diz.

Como parte de pesquisas futuras, Gaharwar planeja uma investigação mais aprofundada sobre o processo pelo qual as nanoplacas desencadeiam a diferenciação celular. Adicionalmente, a característica de cisalhamento do gel pode ser usada para imprimir estruturas de tecido tridimensionais carregadas com células, ele explica. Com isso em mente, Gaharwar está trabalhando com colegas para criar projetos personalizados, andaimes vascularizados que empregam o material e podem ser inseridos cirurgicamente no local de lesões mais graves, onde a injeção não é uma opção. Os andaimes, ele explica, permitiria que o local da lesão recebesse fluxo sanguíneo como parte do processo de cura intensificado iniciado pelas nanopartículas. É um sistema que Gaharwar acredita que resolverá alguns dos desafios associados à engenharia de tecidos ou órgãos complexos.

"Com base em nossos fortes estudos preliminares, prevemos que essas partículas altamente biofuncionais têm imenso potencial para serem usadas em aplicações biomédicas, "ele observa.