Este material revela a oportunidade de utilizar quase qualquer outro material comum como o seu próprio circuito integrado, capaz de "pensar" e responder ao seu ambiente. Tal material pode receber um estímulo mecânico, processá-lo e reagir a ele simultaneamente sem a necessidade de componentes electrónicos adicionais.

Este polímero mole é um condutor que contém circuitos reconfiguráveis capazes de combinações lógicas, e quando recebe um estímulo é transformado em informação eléctrica que é depois processada para criar um sinal de saída. Por outras palavras, este material pode utilizar forças mecânicas para resolver problemas aritméticos complexos, algo que os investigadores foram capazes de demonstrar. O processo de "pensamento" deste material é semelhante ao nosso, onde recebemos um estímulo, os nervos o transformam em sinais eléctricos que são processados no cérebro, o que diz ao corpo como reagir. Isto abre o caminho para uma ampla aplicação do material em sistemas autónomos de busca e salvamento, reparação estrutural e mesmo materiais bio-híbridos capazes de identificar, isolar e neutralizar agentes patogénicos transportados pelo ar.

Para esta conquista, os investigadores basearam-se num trabalho anterior sobre um metamaterial semelhante, mas limitado a operações lógicas e entradas e saídas binárias. Foram ajudados por um artigo de 1938 publicado por Claude E. Shannon, o Pai da Teoria da Informação, que descreveu uma forma de criar circuitos integrados utilizando redes de comutação mecânico-eléctricas.

Figura 1 - O material traduz uma força mecânica em sinais eléctricos que produzem um resultado computacional.

O passo seguinte, segundo os investigadores, é melhorar o material para que possa processar estímulos visuais, ou seja, adaptar o material para que tenha a capacidade de "ver". O objectivo final é criar um material com capacidade de navegação autónoma, seguindo sinais que o guiem e com os quais possa evitar obstáculos.

Trung et al., sugerem um processo simples para produzir biocompósitos (nHCB) de nano-hidroxiapatita (nHA) e matriz de quitosana (CTS) a partir de esqueletos de tilápias e bagres e cascas de camarões, resíduos da indústria pesqueira. O resultado deste processo é um material altamente poroso que será utilizado como adsorvente para a remoção de corantes como azul de metileno (MB) e laranja de metileno (MO) e íons Cu (II) de águas residuais.

Toda a matéria-prima foi reduzida a pó, e a quitosana (0,5 g) foi dissolvida em solução de CH3COOH. Adicionou-se nHA à solução e agitou-se durante 30 minutos até se formar uma suspensão homogênea. TPP (Tripolifosfato de sódio) é então adicionado como um agente ligante para formar pérolas de hidrogel e lavado várias vezes com água destilada. Finalmente, a amostra é congelada a -80°C para obter as esferas de aerogel. Assim, foram conformadas 4 amostras de nHCB, variando a carga em peso de nHA entre 0,00, 0,75, 1,00 e 1,25 g) nomeadas como nHCB-0, nHCB-2, nHCB-3 e nHCB-4, respectivamente, enquanto a carga de CTS foi mantida em 0,5g.

Em relação ao desempenho das amostras produzidas, verificou-se que existe uma relação proporcional entre a carga de nHA e a área específica, o que resulta em maior adsorção das partículas desejadas conforme aumenta o teor de nHA. Porém, acima de 1,0g de nHA, os grupos ativos amino do composto começam a ser reduzidos, o que piora a adsorção. O pH também é um fator importante em compostos a base de CTS, e as melhores condições operacionais ocorrem com um pH entre 5,0 e 6,0.

Em conclusão, o artigo celebra a eficácia do composto nHCB não apenas por sua atuação na adsorção de corantes e íons de cobre, mas também como forma de reaproveitamento de subprodutos da indústria pesqueira. Além disso, o artigo indica que tanto o HA quanto a CTS são apenas dois de vários outros derivados dessa indústria que também poderiam ser revalidados para outras áreas.

Figura 1. Imagens de MEV de (b) nHCB-0, (d) nHCB-2, (e) nHCB-3 e (f) nHCB-4, mostrando alta porosidade formada (d, e, f) o que ativa a adsorção e uma boa distribuição das nanopartículas de HA na matriz polimérica de CTS. [adaptado de TRUNG, T. S. et al, 2022].

Por muitos anos, pesquisadores da área de materiais vem trabalhando no desenvolvimento de uma alternativa para enxertos ósseos de forma artificial (ou sintética). Inicialmente, scaffolds (matrizes porosas) eram utilizadas para preenchimento da área com defeito. Porém, com o avanço da tecnologia, eles começaram a ser utilizados como um mecanismo de indução ativa para a regeneração óssea, e assim, promovendo a reconstrução do osso original. 

Atualmente, os scaffolds simulando estruturas ósseas porosas podem ser fabricados por uma variedade de métodos. Os métodos tradicionais incluem separação de fase, lixiviação de partículas, formação de espuma de gás ou liofilização, que não podem controlar o tamanho, a forma e o tamanho dos poros. No entanto, essas técnicas não produzem a estrutura precisa de um scaffold tridimensional. 

A impressão 3D (manufatura aditiva) mostra uma grande capacidade de fabricação de material e pode produzir o scaffold camada por camada de acordo com o modelagem específica de um arquivo CAD (Computer-aided engineering).

Neste estudo, nano-HA e PLA com a mesma massa (50/50) foram fabricados em scaffolds compósitos. A caracterização, propriedades mecânicas, biocompatibilidade in vitro e indutibilidade osteogênica do scaffold compósito foram sistematicamente examinadas, e mais experimentos in vivo foram realizados em modelo de defeito femoral de coelho por 3 meses. 

Os resultados mostram que os andaimes compósitos PLA/nano-HA têm boa biocompatibilidade e indução osteogênica habilidade simulando materiais orgânicos e inorgânicos no tecido ósseo, simulando o ambiente natural da matriz óssea e com potencial de transformação clínica no reparo de defeitos ósseos críticos.

Figura 1: Fabricação de compósitos PLA/n-HA. (a) Material seco de PLA/n-HA; (b) materiais brutos de PLA/n-HA triturados; (c e d) filamento compósito PLA/n-HA; (e) scaffolds de células compostas PLA/n-HA impressas em 3D; (f) reconstrução CT de um cilindro composto impresso em 3D; e (g) reconstrução de TC de blocos impressos em 3D (frente, diagonal, em estrutura honeycomb). Fonte: (WANG, el at. 2021).

Por fim, o artigo conclui que o material compósito de PLA/nano-HA (50/50) foi produzido através da manufatura aditiva e apresentou alta processabilidade, biocompatibilidade e alta atividade biológica, capaz de induzir crescimento ósseo in vivo. O material produzido apresentou alto potencial para implantes em defeitos ósseos e pode combinar as vantagens do método de fabricação, além de compensar as deficiências de cada material. Sendo assim, apresentando um significado promissor na área da engenharia de tecidos e aplicação de biomateriais.

Nos dias atuais, a precipitação de carbonato de cálcio (CaCO3) induzida microbianamente (MICP - microbially induced calcium carbonate) é utilizada para a estabilização do solo, reparos em fissuras no concreto, vedação de fratura de óleos, biorremediação em metais e mitigação de vazamento de dióxido de carbono (CO2). Durante a precipitalção induzida microbianamente, a atividade metabólica dos microorganismos aumenta o estado de saturação local da célula bacteriana e promove a precipitação do carbonato de cálcio (CaCO3).

Com a viabilidade a longo prazo melhorada, os microorganismos podem ser utilizados para cultivar materiais de construção vivos (LBM’s) com funções biológicas estruturais. Os LBM’s necessitam de dois componentes principais: scaffold inerte (que fornece suporte estrutural para um componente vivo) e um componente vivo (que utiliza o scaffold como função estrutural e biológica).

Os microorganismos capazes de precipitar o carbonato de cálcio induzido microbianamente podem ser utilizados para cultivar materiais de construção com função auto-sustentável.

A viabilidade de Synechococcus no compósito areia-hidrogel foi, em geral, muito maior do que outros microrganismos biomineralizantes relatados em outros materiais estruturais. Otimizando as caracterísicas biológicas e estruturais dos LBM’s (temperatura, umidade e química do hidrogel) podem estender a utilizade deles para aplicações mais avançadas. Por exemplo, os microorganismos podem sentir, e responder, a produtos químicos tóxicos ou revelar danos estruturais com fluorescência.

Figura 1: (1) Os LBMs são criados pela mistura de Synechococcus sp. com células contendo cálcio meio nutricional, gel e areia. (2) LBMs podem ser regenerados exponencialmente a partir de um LBM através do uso de interruptores de temperatura e umidade. (3) LBMs ganham integridade estrutural por meio de dessecação. Após o serviço como material estrutural de suporte de carga, os LBMs podem ser reciclados como fonte agregada para novos LBMs. Fonte: (Reveran et al. 2020).

A pesquisa desenvolvida mostrada no artigo determinou que os LBM’s projetados foram capazes de mostrar uma regeneração exponencial através do uso de interruptores ambientais e precipitar o carbonato de cálcio induzido por micróbios. A cianobactéria Synechococcus, mineralizou e endureceu o gel. Em conjunto, o artigo mostrou que os resultados obtidos demonstram novas classes de LBM’s que podem ser projetados para obter múltiplas funcionalidades biológicas em materiais estruturais.