Revestimentos enrugados podem impedir que implantes médicos falhem

Quando expostas a sulcos maiores nos revestimentos cerâmicos, as células imunológicas esticam apêndices semelhantes a dedos, um sinal de que assumiram um papel antiinflamatório. Crédito:Mohammad Asadi Tokmedash, Min Lab, Universidade de Michigan.

Os implantes médicos podem falhar com menos frequência quando revestidos com um material cerâmico microscopicamente enrugado projetado por pesquisadores da Universidade de Michigan. O revestimento é descrito em um artigo publicado em ACS Applied Materials and Interfaces .

As pequenas rugas do material têm o tamanho perfeito para as células ósseas jovens e as células imunológicas se fixarem. Com a sua aderência mais firme aos revestimentos, as células humanas podem aderir fortemente ao implante e esticar-se ao longo da sua superfície. As células ósseas esticadas desenvolvem-se mais rapidamente e as células imunitárias esticadas tendem a ajudar a curar os tecidos e a reduzir a inflamação, em vez de atacar o implante como um invasor estrangeiro, por isso os investigadores pensam que os seus revestimentos podem tornar os implantes médicos mais bem-sucedidos.

“Os implantes médicos falham quando não se integram bem ao corpo, seja porque as células imunológicas tentam repelir o implante ou porque há uma cicatrização inadequada do tecido ao redor do implante”, disse Jouha Min, professor assistente de engenharia química e autor correspondente do livro. o estudo.

“A maioria dos estudos concentra-se apenas em um problema de cada vez, mas os revestimentos podem resolver ambos os problemas e ajudar o paciente a voltar à sua vida normal muito mais rapidamente”, acrescentou Min.

Quando o tecido ao redor de um implante médico não cicatriza adequadamente, o implante pode se soltar e perder alguma função, o que muitas vezes requer cirurgia corretiva. Esse problema, chamado de afrouxamento asséptico, é responsável por cerca de 20% de todas as cirurgias de revisão do quadril e 25% de todas as cirurgias de revisão do joelho, de acordo com o relatório de 2023 da Academia Americana de Cirurgiões Ortopédicos. Problemas de inflamação são responsáveis por outros 22% das revisões do quadril e cerca de 33% das revisões do joelho.

Dos 3,1 milhões de substituições de quadril e joelho realizadas entre 2012 e 2022, quase 236 mil necessitaram de cirurgia corretiva. Com o aumento anual do número de substituições de quadril e joelho, muitas pessoas podem se beneficiar de implantes que se integram melhor aos seus corpos.

Os revestimentos enrugados podem ajudar a criar um implante bem-sucedido, mas apenas se o tamanho das ranhuras nos revestimentos puder ser controlado com precisão, de acordo com o novo estudo. Quando as ranhuras no revestimento têm cerca de 2 micrômetros de largura, as células humanas começam a se esticar e a formar apêndices semelhantes a dedos para aderir às ranhuras, que são mais de 10 vezes menores que as células ósseas.

Jouha Min, professor assistente de engenharia química, observa Mohammad, estudante de doutorado no laboratório de Jouha, misturar reagentes para fazer o revestimento cerâmico. Crédito:Jacob Robins, Laboratório Min, Universidade de Michigan.

À medida que as células percorrem o ambiente, elas também ativam interruptores genéticos que estimulam o desenvolvimento em células ósseas maduras ou células imunológicas que reduzem a inflamação. Quando a largura das ranhuras do revestimento é menor que um micrômetro, as células não se esticam. Como resultado, as células ósseas se desenvolvem mais lentamente e as células imunológicas são acionadas para combater corpos estranhos e causar inflamação.

“Ao passar da nanoescala para a microescala, podemos direcionar as células do tecido em favor de um implante bem-sucedido”, disse Mohammad Asadi Tokmedash, estudante de doutorado em engenharia química e primeiro autor do estudo.

O novo método de fabricação de revestimento dos pesquisadores permite controlar o tamanho das ranhuras. Eles primeiro adicionam o material cerâmico a uma folha de poliestireno, camada por camada.

Assim que a cerâmica estiver suficientemente espessa, os pesquisadores aquecem a folha de poliestireno, fazendo-a encolher. A cerâmica aderida encolhe com o poliestireno, mas também racha e deforma porque é menos flexível que o poliestireno. As rachaduras e dobras resultantes tornam-se as ranhuras nas quais as células se prendem, e o tamanho das ranhuras é controlado pela espessura das camadas cerâmicas adicionadas no topo da folha de poliestireno antes de ela ser aquecida.

Há uma desvantagem em omitir ranhuras menores em nanoescala do revestimento - elas são melhores para evitar que bactérias patogênicas adiram a ele, criando uma superfície áspera e pontiaguda que danifica as membranas celulares das bactérias. Ranhuras maiores, em microescala, podem ser ideais para as células humanas se fixarem, mas também fornecem muito espaço para as bactérias se esconderem e crescerem nos revestimentos.

Como a infecção é outra causa importante de falha do implante, a equipe está atualmente trabalhando em um método que permita que seus revestimentos matem bactérias, ao mesmo tempo que fornece alças seguras para as células humanas se fixarem. Experimentos futuros testarão sua ideia. Os revestimentos foram estudados no Michigan Center for Materials Characterization.

Mais informações: Mohammad Asadi Tokmedash et al, designer de revestimentos multicamadas MXene micro/nanocrumpled aceleram a osteogênese e regulam a polarização de macrófagos, ACS Applied Materials &Interfaces (2024). DOI:10.1021/acsami.3c18158
Informações do diário: Materiais Aplicados e Interfaces ACS

Fornecido pela Faculdade de Engenharia da Universidade de Michigan

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