O campo em desenvolvimento da engenharia de tecidos visa regenerar tecidos danificados combinando células do corpo com biomateriais de andaimes altamente porosos, que atuam como modelos para a regeneração de tecidos para orientar o crescimento de novos tecidos.
A engenharia de tecidos é o uso de uma combinação de células, métodos de engenharia e materiais, e fatores bioquímicos e físico-químicos adequados para melhorar ou substituir funções biológicas. Embora já tenha sido categorizado como um subcampo de biomateriais, cresceu consideravelmente em escopo e importância e pode ser considerado um campo por si só.
Embora a maioria das definições de engenharia de tecidos cubra uma ampla gama de aplicações, na prática o termo está intimamente associado a aplicações que reparam ou substituem partes ou tecidos inteiros (ou seja, osso, cartilagem, vasos sanguíneos, bexiga, pele, músculo etc.). Frequentemente, os tecidos envolvidos requerem certas propriedades mecânicas e estruturais para o funcionamento adequado.
Normalmente, o termo “scaffold” é associado principalmente à sua função como um suporte temporário para a cultura de células e tecidos com o objetivo final de restaurar a funcionalidade perdida do tecido, a chamada “engenharia de tecidos”. Neste contexto, uma propriedade fundamental do scaffold reside em sua natureza biodegradável: à medida que a regeneração do tecido progride, o scaffold deve se degradar a uma taxa comparável. A arquitetura dos poros dos scaffolds, incluindo porosidade, interconectividade dos poros e tamanho médio dos poros, também são essenciais na sobrevivência celular, proliferação e secreção da matriz extracelular.
Requisitos de propriedade mecânica de andaimes
Vários andaimes produzidos a partir de uma variedade de biomateriais e fabricados usando uma infinidade de técnicas de fabricação têm sido usados no campo em tentativas de regenerar diferentes tecidos e órgãos no corpo.
Independentemente do tipo de tecido, uma série de considerações importantes são importantes ao projetar ou determinar a adequação de um andaime para uso em engenharia de tecidos. A biodegradabilidade é frequentemente um fator essencial, uma vez que os andaimes devem ser preferencialmente absorvidos pelos tecidos circundantes sem a necessidade de uma remoção cirúrgica. A taxa na qual a degradação ocorre tem que coincidir tanto quanto possível com a taxa de formação do tecido: isso significa que enquanto as células estão fabricando sua própria estrutura de matriz natural ao redor de si mesmas, o andaime é capaz de fornecer integridade estrutural dentro do corpo e, eventualmente, ele se quebrará, deixando o neotissue, tecido recém-formado que assumirá a carga mecânica.
Embora a biocompatibilidade e a biodegradabilidade sejam considerações primárias, de igual importância são as propriedades mecânicas. Idealmente, o scaffold deve ter propriedades mecânicas consistentes com o local anatômico no qual será implantado e, de uma perspectiva prática, deve ser forte o suficiente para permitir o manuseio cirúrgico durante a implementação. Embora isso seja importante em todos os tecidos, ele fornece alguns desafios para aplicações cardiovasculares e ortopédicas especificamente.
Produzir andaimes com propriedades mecânicas adequadas é um dos grandes desafios na tentativa de projetar osso ou cartilagem. Para esses tecidos, o andaime implantado deve ter integridade mecânica suficiente para funcionar do momento da implantação até a conclusão do processo de remodelação. Um desafio adicional é que as taxas de cura variam com a idade; por exemplo, em indivíduos jovens, as fraturas normalmente curam até o ponto de sustentação de peso em cerca de seis semanas, com a integridade mecânica completa não retornando até aproximadamente um ano após a fratura, mas em idosos a taxa de reparo diminui. Isso também deve ser levado em consideração ao projetar andaimes para aplicações ortopédicas.
No entanto, conforme o campo evoluiu, pode-se argumentar que muito foco foi colocado na tentativa de desenvolver andaimes com propriedades mecânicas semelhantes às do osso e da cartilagem. Muitos materiais foram produzidos com boas propriedades mecânicas, mas em detrimento da retenção de uma alta porosidade e muitos materiais, que demonstraram potencial in vitro , falharam quando implantados in vivo devido à capacidade insuficiente de vascularização.
É claro que um equilíbrio entre propriedades mecânicas e arquitetura porosa suficiente para permitir infiltração celular e vascularização é a chave para o sucesso de qualquer andaime. A injetabilidade também é importante para usos clínicos. Pesquisas recentes sobre impressão de órgãos estão mostrando o quão crucial é um bom controle do ambiente 3D para garantir a reprodutibilidade dos experimentos e oferecer melhores resultados.
O principal critério para andaimes em engenharia de tecidos do qual todos os outros critérios dependem é a escolha do biomaterial do qual o andaime deve ser fabricado.
Tipos de andaimes
Muitos materiais diferentes (naturais e sintéticos, biodegradáveis e permanentes) foram investigados. A maioria desses materiais era conhecida na área médica antes do advento da engenharia de tecidos. Novos biomateriais foram projetados para ter propriedades ideais e personalização funcional: injetabilidade, fabricação sintética, biocompatibilidade, não imunogenicidade, transparência, fibras em nanoescala, baixa concentração, taxas de reabsorção etc.
Normalmente, três grupos individuais de biomateriais; cerâmicas, polímeros sintéticos e polímeros naturais, são usados na fabricação de andaimes para engenharia de tecidos.
Andaimes de cerâmica
Embora não sejam geralmente usados para regeneração de tecidos moles, tem havido uso generalizado de andaimes de cerâmica, como hidroxiapatita e fosfato tricálcico, para aplicações de regeneração óssea. Andaimes de cerâmica são tipicamente caracterizados por alta rigidez mecânica (módulo de Young), elasticidade muito baixa e uma superfície dura e quebradiça. De uma perspectiva óssea, eles exibem excelente biocompatibilidade devido à sua similaridade química e estrutural com a fase mineral do osso nativo. As interações de células osteogênicas com cerâmicas são importantes para a regeneração óssea, pois as cerâmicas são conhecidas por aumentar a diferenciação e proliferação de osteoblastos.
Várias cerâmicas têm sido usadas em cirurgias odontológicas e ortopédicas para preencher defeitos ósseos e revestir superfícies metálicas de implantes para melhorar a integração do implante com o osso hospedeiro. No entanto, suas aplicações clínicas para engenharia de tecidos têm sido limitadas devido à sua fragilidade, dificuldade de moldagem para implantação e porque o novo osso formado em uma rede porosa de HA não pode sustentar a carga mecânica necessária para a remodelação. Além disso, embora o HA seja um constituinte primário do osso e possa parecer ideal como um substituto de enxerto ósseo, também existem problemas, pois é difícil controlar sua taxa de degradação.
Andaimes de polímeros sintéticos
Numerosos polímeros sintéticos têm sido usados na tentativa de produzir andaimes, incluindo poliestireno, ácido poli-l-láctico, ácido poliglicólico e ácido poli-dl-láctico-co-glicólico. Embora esses materiais tenham demonstrado muito sucesso, pois podem ser fabricados com uma arquitetura personalizada e suas características de degradação controladas pela variação do próprio polímero ou da composição do polímero individual, eles têm desvantagens, incluindo o risco de rejeição devido à bioatividade reduzida. Além disso, existem preocupações sobre o processo de degradação de PLLA e PGA, pois eles se degradam por hidrólise, produzindo dióxido de carbono e, portanto, diminuindo o pH local, o que pode resultar em necrose celular e tecidual.
Andaimes de polímeros naturais
A terceira abordagem comumente usada é o uso de materiais biológicos como biomateriais de andaimes. Materiais biológicos como colágeno, fibrina, vários proteoglicanos, substratos à base de alginato e quitosana têm sido usados na produção de andaimes para engenharia de tecidos.
Ao contrário dos andaimes à base de polímeros sintéticos, os polímeros naturais são biologicamente ativos e normalmente promovem excelente adesão e crescimento celular. Além disso, eles também são biodegradáveis e, portanto, permitem que as células hospedeiras, ao longo do tempo, produzam sua própria matriz extracelular e substituam o andaime degradado. No entanto, fabricar andaimes a partir de materiais biológicos com estruturas homogêneas e reproduzíveis apresenta um desafio. Além disso, os andaimes geralmente têm propriedades mecânicas ruins, o que limita seu uso em, por exemplo, aplicações ortopédicas de suporte de carga.
Entre os polímeros orgânicos, o poli(álcool vinílico) (PVA) é um dos poucos polímeros solúveis em água que tem sido estudado intensivamente devido às suas características atraentes para aplicações médicas, como alta hidrofilicidade, boa capacidade de formação de filme e processabilidade. As aplicações de hidrogéis de PVA no campo biomédico incluem lentes de contato, curativos e revestimentos para suturas e cateteres. Além disso, os hidrogéis de PVA demonstraram ser intrinsecamente não adesivos para células e proteínas, fornecendo assim um substrato em branco.
Cada um desses grupos individuais de biomateriais tem vantagens específicas e, desnecessário dizer, desvantagens, então o uso de andaimes compostos compostos de diferentes fases está se tornando cada vez mais comum. Por exemplo, vários grupos tentaram introduzir cerâmica em andaimes à base de polímeros, enquanto outros combinaram polímeros sintéticos com polímeros naturais para aumentar sua capacidade biológica.
Embora andaimes como esses tenham se mostrado promissores, cada um consiste em pelo menos uma fase que não é encontrada naturalmente no corpo e todos eles têm problemas associados com biocompatibilidade, biodegradabilidade ou ambos. Uma abordagem mais típica é o uso de andaimes à base de colágeno, sozinhos ou com uma fase adicional incorporada para aumentar as propriedades biológicas e/ou mecânicas. Testando a adequação mecânica – como e onde a pesquisa está ocorrendo usando análise de textura Pesquisadores do STEM, Centre for Biomolecular Sciences, School of Pharmacy, University of Nottingham , têm realizado uma série de testes para avaliar as propriedades mecânicas de andaimes de poli(ácido d,l-láctico) espumados fluidos. Ao longo de uma série de artigos publicados, eles documentaram seu uso do analisador de textura TA.XT plus para a avaliação dos andaimes em uma série de abordagens diferentes.
Medição da Resistência à Tração
Testes de tração de andaimes de filme de polímero flexível foram conduzidos em triplicado em um TA.XT plus Texture Analyser com uma célula de carga de 5 kg, usando grampos pneumáticos para prender as amostras. Resumidamente, a amostra (8 mm/54 mm/2,5 mm – comprimento/largura/espessura) foi testada em quatro taxas diferentes: 18, 180, 300 e 500 mm/min. Valores de deformação, estresse e módulo de Young de engenharia foram obtidos. O mesmo analisador de textura foi usado para avaliar em triplicado a fadiga do material poroso em 1000 ciclos a 300 mm/min, 60% de deformação e a uma frequência de 0,27 Hz.
Trabalho publicado:
Cell adhesion and mechanical properties of a flexible scaffold for heart tissue engineering
Medindo a integridade compressiva
Neste artigo, andaimes de CO2 supercríticos foram fabricados. Este processo de baixa temperatura e sem solvente produz estruturas espumosas interconectadas de células abertas. Moléculas de fármacos e proteínas podem ser encapsuladas dentro desses andaimes, pois a estrutura e a atividade da proteína são retidas durante o processamento. O processo de fabricação pode produzir andaimes de tamanho e estrutura de poros divergentes, portanto, o estudo buscou elucidar os efeitos das condições de processamento na porosidade, distribuição do tamanho dos poros e propriedades mecânicas dos andaimes. Os andaimes foram cortados em cubos uniformes antes da compressão. A tensão de colapso elástico, o módulo de Young e a tensão final até a falha foram medidos.
Trabalho publicado:
Estudos mecânicos e morfológicos de andaimes de espuma de poli (ácido D, L-láctico) de fluido supercrítico
Enquanto isso, pesquisadores do INSERM, U791, Laboratoire d’ingénierie ostéoarticulaire et dentaire, Faculté de chirurgie dentaire, Université de Nantes, França , determinaram o módulo de Young de todos os andaimes medidos em um modo de teste de compressão padrão. A velocidade de compressão da placa superior foi definida como 1 mm/s e a compressão realizada até que uma deformação máxima de 10% fosse alcançada. Um total de 6 andaimes em cada ponto de tempo foram testados e a tensão resultante de uma deformação imposta medida. O módulo inicial – ou seja, o módulo de Young – é obtido a partir da inclinação inicial da tensão versus deformação antes da deformação plástica.
Trabalho publicado:
Prototipagem rápida de titânio poroso revestido com fosfato de cálcio como um andaime para engenharia de tecido ósseo
Pesquisadores do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Universidade de Melbourne, Austrália , usaram uma abordagem semelhante em seu trabalho:
A influência da arquitetura na degradação e no crescimento interno do tecido em andaimes tridimensionais de poli(ácido láctico-co-glicólico) in vitro e in vivo
As propriedades de degradação in vitro e in vivo de andaimes de poli(ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) produzidos por duas tecnologias diferentes – separação de fases induzida termicamente (TIPS) e fundição de solvente e lixiviação de partículas (SCPL) foram comparadas. Para entender o efeito das mudanças na arquitetura interna do andaime nas propriedades mecânicas, a camada externa (uma “pele”) foi removida. Os andaimes cilíndricos originais foram mergulhados em nitrogênio líquido e uma amostra cúbica foi obtida usando uma lâmina cirúrgica para remover o polímero circundante sem danificar a estrutura interna. As amostras foram tratadas posteriormente (veja os detalhes do método na publicação) e deixadas durante a noite para simular condições in vivo
antes do teste. A tensão inicial (σ) e a deformação (τ) e o módulo de Young dos andaimes cilíndricos 3D PLGA obtidos foram determinados usando seu analisador de textura TA.XT2. Uma publicação posterior (veja o link abaixo) foca na seleção de solventes alternativos para a técnica de separação de fases induzida termicamente. Os módulos de Young dos andaimes sob condições de temperatura, pH e força iônica semelhantes às encontradas no corpo foram testados e foram considerados altamente dependentes das arquiteturas.
Seleção sistemática de solventes para a fabricação de andaimes poliméricos macro e microporosos combinados 3D para engenharia de tecidos moles
Pesquisadores da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia, NOBIPOL, Departamento de Biotecnologia, Noruega, adotaram uma abordagem semelhante em sua publicação: Gelificação
in situ para imobilização e cultura de células em andaimes de espuma de alginato
A rigidez dos géis de alginato formados pela gelificação in situ foi determinada pela compressão dos géis com um TA.XT plus Texture Analyser equipado com uma célula de carga de 5 kg e uma sonda cilíndrica de 6,35 mm de diâmetro e medindo o módulo de Young. Foi demonstrado que as propriedades mecânicas do gel poderiam ser amplamente variadas por meio da seleção do tipo e da concentração do alginato aplicado e pela imersão dos discos já gelificados em soluções que fornecem íons formadores de gel adicionais.
Pesquisadores do Departamento de Biologia e Biotecnologia da Universidade “Sapienza” de Roma, Itália , caracterizaram suas novas plataformas PVA 3D por meio de testes de compressão usando seu Texture Analyser em:
Síntese e caracterização de uma nova plataforma 3D de poli(álcool vinílico) para avaliação da resposta dos hepatócitos à administração de medicamentos
Eles moldaram seus andaimes em cilindros uniformes de 1,5 cm de altura e 2 cm de diâmetro e aplicaram força compressiva a 80% de deformação usando uma sonda de cilindro de 10 mm a 1 mm/s. Os módulos elásticos (de Young) foram derivados da regressão da porção linear das curvas de tensão-deformação.
Pesquisadores do Departamento de Farmácia e Farmacologia da Universidade de Witwatersrand usaram seu TA.XT plus para estabelecer vários parâmetros de tensão-deformação do andaime polimérico. As amostras foram avaliadas nos estados hidratado e não hidratado e a Resiliência da Matriz e a Dureza da Matriz foram computadas. Trabalho publicado: Design e avaliação farmacêutica de um andaime multipolimérico reticulado nanoativado para liberação intracraniana prolongada de Zidovudina
Medição da injetabilidade/seringabilidade
Pesquisadores do Departamento de Engenharia Química e do Departamento de Engenharia Mecânica e de Materiais da Queen’s University, Canadá , usaram seu analisador de textura TA.XT plus para medir a injetabilidade:
A seringa foi fixada verticalmente em uma braçadeira personalizada para caber dentro do analisador de textura e expelida a 15 mm/s.
O analisador de textura TA.XT plus faz parte de uma família de instrumentos e equipamentos de análise de textura da Stable Micro Systems. Esses exemplos específicos de andaimes de teste fazem parte de uma gama de possibilidades de aplicação para o teste de dispositivos médicos e produtos de liberação controlada . Nossos especialistas técnicos também podem projetar acessórios de instrumentos personalizados de acordo com especificações individuais.
