Os nanomateriais estão atualmente no centro das atenções no campo da regeneração óssea e da engenharia de tecidos em geral. Devido ao seu tamanho em nanoescala, as nanopartículas apresentam maior disponibilidade em sistemas biológicos. O progresso enorme no campo da nanotecnologia de biomateriais contribui para a solução de demandas crescentes no número de enxertos e implantes ósseos funcionais.

Com o envelhecimento cada vez maior da população, a necessidade de vários implantes e scaffolds biomédicos está se tornando um um parâmetro econômico significativo para o sistema de saúde. As substituições de tecidos convencionais (como autoenxertos e aloenxertos), embora existam métodos revolucionários, encontram muitos problemas. 

Considerando que as células interagem com tecidos de tamanho nanométrico e formam uma matriz nanoestruturada, os nanomateriais desempenham um papel fundamental na estimulação da migração e proliferação celular, o que é muito importante para a regeneração do tecido ósseo em particular. 

A nanotecnologia tem recebido grande atenção na engenharia de tecidos e está conectada a muitas disciplinas, como física, química, engenharia, ciências da vida e medicina, representando uma combinação real de diferentes campos. 

Os nanomateriais são atualmente definidos como materiais com unidades estruturais básicas menores que 100 nm em pelo menos uma dimensão e exibem propriedades únicas diferentes de suas contrapartes mais volumosas que os tornaram altamente eficazes em inúmeras aplicações biomédicas.

Figura 1: Escala métrica em nanômetros, na qual a nanoescala (1–100 nm) é comparada entre o macro e o micro. Fonte: (Babuska et al. 2022).

Uma variedade de materiais pode ser usada para preparar nanopartículas, como metais, cerâmicas, polímeros e materiais orgânicos. Scaffolds com nanopartículas podem ser produzidos em nanotubos/nanofibras, que podem simular com ainda mais precisão as dimensões de estruturas naturais do corpo humano, como as fibras de colágeno.

Os materiais nanocristalinos são caracterizados por seus tamanhos de grão extremamente pequenos, o que dá origem a propriedades físicas, químicas e mecânicas únicas em comparação com os materiais correspondentes com tamanhos de grão convencionais. A redução do tamanho do grão de um material fornece propriedades vantajosas, como maior tenacidade e resistência.

Neste caso podemos citar o titânio, um material muito usado para implantes dentários e ortopédicos. Devido às excelentes propriedades, como alta resistência à tração, durabilidade, alta resistência à corrosão, resistência a fluidos corporais e alta biocompatibilidade, o titânio e suas ligas permanecem entre os materiais mais atraentes neste campo.

Estudos mostraram que o titânio em um estado nanoestruturado aponta não apenas pela melhoria de suas características físicas e mecânicas, mas também pela melhoria da resposta celular à interface entre o material e o meio biológico. As nanoestruturas de titânio fornecem uma grande área de superfície e características antibacterianas aprimoradas, osseointegração e interação de proteínas, todas benéficas para implantes médicos.

Agora, vamos falar de nanopartículas. As nanopartículas utilizadas em aplicações médicas costumam ter um tamanho médio de até 200 nm. Devido ao seu pequeno tamanho, formas diferentes e grande área de superfície, elas apresentam maior estabilidade coloidal e, portanto, maior biodisponibilidade. Vejamos a seguir alguns exemplos de nanopartículas que o artigo apresenta e suas vantagens de aplicação na área biomédica.

Nanopartículas de ouro: são as mais interessantes dentre as nanopartículas de metais nobres. As propriedades únicas dessas nanopartículas como boa biocompatibilidade, fácil síntese e funcionalização de superfície, os tornam nanomateriais promissores em aplicações biomédicas, como administração de medicamentos, imagens biológicas, diagnóstico e tratamento de doenças.

Nanopartículas de prata: devido às suas propriedades antibacterianas, a prata e seus compostos têm sido usados para diversos fins médicos há mais de mil anos (mesmo que sem o conhecimento atual). A importância da prata está crescendo, especialmente em um momento em que o aumento da resistência bacteriana é um grande problema global. Hoje, a prata é usada não apenas como agente anti-séptico, mas também por suas propriedades anticancerígenas ou como adjuvante de vacina, agente antidiabético e biossensores.

Nanopartículas de platina: as mais utilizadas são de tamanhos na faixa de 10 a 50 nm. Elas apresentam excelentes propriedades, como biocompatibilidade, biodegradabilidade, osteocondutividade e alta estabilidade. Elas são usadas na detecção de células cancerígenas, redução do estresse oxidativo celular e tratamento da doença de Parkinson. Além de apresentar efeitos bacterio-tóxicos e efeitos citotóxicos nas células cancerígenas.

Nanopartículas de tântalo: o tântalo é um metal com altíssima resistência à corrosão e excelente biocompatibilidade, o que o torna um material promissor para implantes ortopédicos e dentários. O tântalo pode ser fabricado como um material poroso com muitas vantagens, apresentando ótimas propriedades mecânicas e mostra excelente aderência celular e crescimento ósseo interno, resultando em melhor fixação do implante.

Nanopartículas de óxido de ferro: são usadas como agentes de contraste, para terapias de reposição de ferro e para terapias tumorais usando hipertermia tecidual local. As propriedades magnéticas dessas partículas podem ser usadas para a entrega ideal do medicamento no local necessário, o que minimiza os efeitos colaterais e melhora o tratamento de câncer e doenças ósseas.

O artigo cita também nanopartículas de cobre, zinco, magnésio, níquel, óxido de cálcio, óxido de alumínio, nanopartículas de carbono, hidroxiapatita, dentre outros. O que vale muito a leitura do artigo apresentado.

Concluindo, nanomateriais atualmente desempenham um papel importante na pesquisa de engenharia de tecido ósseo. Embora o próprio osso tenha a capacidade de auto-reparação e remodelação, em muitos casos, esses processos não são suficientes, sendo necessária uma intervenção externa. 

Portanto, materiais biocompatíveis para substituir o osso e promover a regeneração dele são necessários, onde os nanomateriais se apresentam muito promissores para esses propósitos. Esses progressos na área de nanomateriais aplicados na engenharia de tecidos (e de regeneração) podem trazer opções inovadoras e revolucionárias de tratamento para a medicina no futuro.

Defeitos ósseos de tamanho crítico são aqueles que não cicatrizam espontaneamente, sem intervenção médica. Eles podem surgir por trauma, má cicatrização de fraturas e remoção óssea após infecção grave ou ressecção de tumor.

O padrão atual de tratamento é reconstruir o defeito com osso de uma região diferente do esqueleto humano e estabilizar com implantes fixados ao osso. Isso tem limitações, incluindo a quantidade de osso disponível para transferência sem causar morbidade no paciente e o aumento do risco de infecção.

O uso da manufatura aditiva está aumentando rapidamente na área da saúde, particularmente nas áreas de odontologia e ortopedia. Um dos principais benefícios dessa abordagem é o potencial para implantes personalizados. 

Ao reconstruir um objeto a partir de tomografias 3D dos defeitos ósseos e fazer engenharia reversa do local danificado, um implante pode ser produzido com dimensões exatas para reparar o defeito. 

Existem inúmeras técnicas e materiais disponíveis, de modo que metais, cerâmicas e polímeros podem ser fabricados para aplicações ortopédicas específicas. O estudo realizado pelos autores investigou o uso da modelagem de deposição fundida (FDM - fused deposition modeling) para a reconstrução óssea.

Esse método de fabricação é disponível a um custo relativamente baixo e representa uma técnica economicamente viável para produzir implantes personalizados. Outra vantagem é o nível de controle sobre os parâmetros de projeto. Por exemplo, materiais, macroporosidade e geometria de preenchimento podem ser todos refinados de modo que o scaffold possa ser ajustado em termos de adesão celular, infiltração celular e rigidez.

O material utilizado pelos autores foi o LayFomm (PoroLay) - uma mistura de polímeros de álcool polivinílico (PVA) e poliuretano (PU).

Neste estudo, os autores estudaram o uso do LayFomm como material para o scaffold para a diferenciação in vitro de células-tronco de polpa dentária (DPSCs - dental pulp stem cells) e produção de matriz óssea semelhante ao do osso. Em seguida, o scaffold foi implantado por via subcutânea para determinar a resposta de corpo estranho ao material. 

Com isso, os scaffolds foram implantados em defeitos mandibulares em um modelo de roedor in vivo para determinar o potencial de crescimento ósseo e cicatrização do defeito.

Segundo os autores, o poliuretano usado neste estudo permitiu uma rápida fixação celular, com uma eficiência de 68% após apenas 3 horas de implementação. Isso pode ser atribuído à tendência do material ser atraído pela água (hidrofílico) e também à sua microporosidade. 

Figura 1: Scaffolds desenvolvidos com o material LayFomm, mostrando o aparecimento de microporos após a remoção do PVA (álcool polivinílico). Fonte: (Cooke et al. 2020).

A microporosidade proporcionou uma área de superfície maior e demonstrou aumentar a adesão de proteínas, a adesão e a proliferação celular, além de desempenhar um papel crítico na osteogênese nos scaffolds ósseos. 

Os autores mostraram também que a capacidade do LayFomm de absorver e liberar quimioterápicos foi ativa por um período de 14 dias, o que demonstrou a formação óssea in vivo.

As células-tronco da polpa dentária (DPSCs - dental pulp stem cells) foram utilizadas neste estudo para análise in vitro devido à sua rápida taxa de proliferação e capacidade de sofrer diferenciação osteogênica na presença dos fatores apropriados. De acordo com os autores, os scaffolds foram capazes de proliferar, diferenciar e produzir matriz óssea.

Este foi o primeiro estudo a caracterizar o LayFomm como um material potencial para regeneração óssea in vitro e in vivo. A formação bem-sucedida da matriz óssea foi promissora, como uma estratégia de reparo ósseo utilizando um scaffold, o que pode ser útil no reparo de defeitos craniofaciais. 

Os autores afirmaram que um caminho interessante para uma investigação mais aprofundada nesta área é a entrega de agentes terapêuticos dentro dos microporos do material para aumentar ainda mais sua capacidade de formação óssea.

Por fim, os autores concluem que defeitos ósseos de tamanho crítico são um cenário desafiador para médicos e pacientes. Um scaffold desenvolvido com um material com grande potencial como o LayFomm permite o crescimento ósseo enquanto fornece suporte estrutural ao osso tem o potencial de ajudar milhões de pacientes em todo o mundo.

A capacidade de projetar e fabricar dispositivos biomédicos 3D complexos é crítica na engenharia de tecidos. As aplicações para esses dispositivos são principalmente para a restauração de defeitos anatômicos, a reconstrução de órgãos complexos (fígado e órgãos linfóides) e scaffolds para diferenciação de células-tronco. Um grande exemplo de necessidade para essa aplicação são os defeitos anatômicos no crânio, causados por câncer, trauma e defeitos congênitos.

Nos últimos anos, várias abordagens baseadas nos princípios da engenharia de tecidos têm sido exploradas para regenerar outros tecidos funcionais que são relevantes para a regeneração de tecidos maxilofaciais.

Nesse sentido, a fabricação sólida de forma livre (SFF - solid free form fabrication) permite que o projeto e a fabricação de estruturas 3D possam ser específicas para cada paciente. A integração do design assistido por computador (CAD - computer aided design), técnicas avançadas de imagem (ressonância magnética e tomografia computadorizada) e prototipagem rápida, avançaram para favorecer a fabricação de objetos com controle de macro e microarquitetura.

Embora as impressoras 3D industriais tenham atingido uma resolução extremamente alta nos últimos anos, os avanços na capacidade da máquina não se aplicam diretamente no uso de biomateriais, devido a suas limitações físicas e químicas. Os autores focam nas tecnologias avançadas de impressão 3D que estão sendo usadas para fabricar scaffolds na engenharia de tecidos.

Impressão Tridimensional (3DP - Three dimensional printing): permite a fabricação de estruturas 3D por impressão a jato de tinta em solução líquida aglutinante. Uma grande amplitude de materiais tem sido utilizada neste tipo de impressão, uma vez que a maioria dos biomateriais existem no estado sólido ou líquido (tanto cerâmicos quanto poliméricos). A fabricação de scaffolds complexos é facilmente alcançável com esta técnica. Autores em diferentes pesquisas criaram scaffolds altamente porosos com a combinação das técnicas de lixiviação particulada por 3DP e demonstraram o crescimento celular nos scaffolds desenvolvidos. Os materiais 3DP incluem polifosfato de cálcio e PVA (poliacetato de vinila).

Modelagem de deposição fundida (FDM - Fused deposition modeling): a modelagem de deposição fundida é a deposição de materiais termoplásticos fundidos através de uma ou duas cabeças de extrusão aquecidas com um pequeno orifício em um padrão específico. A FDM tem usado polímeros biocompatíveis com baixas temperaturas de fusão. Os materiais usados na FDM para criar scaffolds são PCL (policaprolactona) e compósitos de vidro bioativo. Também é uma técnica muito utilizada para planejamento de cirurgias.

Plotagem 3D de bioimpressão (3D plotting): foi desenvolvido para criar scaffolds de tecidos moles. A plotagem 3D é baseada na extrusão de um material líquido viscoso de uma seringa pressurizada em um meio líquido. O material é depositado em um fio contínuo ou em pontos individuais para criar uma forma 3D desejada de cerâmica, polímeros ou hidrogéis (onde é utilizada a fabricação sólida de forma livre). Os materiais de bioplotagem incluem PLGA (poliácido lático glicólico), colágeno, quitosana e proteína de soja.

Concluindo, os autores apresentaram os principais tipos de impressão 3D para obtenção de scaffolds com geometrias complexas, sendo aplicáveis em diferentes aspectos da medicina regenerativa. Diante disso, podemos perceber que a impressão 3D, com suas diferentes variantes, é uma tecnologia extremamente importante e crucial na área da engenharia de tecidos.

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.

Os ossos são órgãos complexos cuja função é manter a estabilidade corporal e oferecer proteção aos órgãos internos. Doenças e lesões traumáticas podem afetar as funções ósseas, portanto é muito importante tratar recuperar essas funções de maneira rápida e eficiente. O uso de transplantes autógenos, que são aqueles extraídos do próprio paciente, é o “padrão ouro” no quesito de recuperação de funções, porém sua baixa disponibilidade e risco de transmissão de doenças limita o seu uso. Nessas condições o desenvolvimento de enxertos sintéticos tem grande importância no desenvolvimento de tratamentos com desempenhos similares aos autógenos sem os riscos associados.

Dentro os tipos de materiais utilizados para a incorporação de íons estão as cerâmicas, que tem como vantagens a grande semelhança de alguns compostos, como a hidroxiapatita, com os materiais encontrados em ossos naturais. Como desvantagem desses materiais está a sua baixa taxa de degradação e reabsorção devido a sua alta cristalinidade.

Entre os polímeros mais utilizados para aplicação biomédica estão os polissacarídeos como alginato e proteínas naturais como o colágeno, porém alguns tipos de polímeros são menos suscetíveis a incorporar íons em sua composição.

Os metais são mais suscetíveis a incorporação de íons, que geralmente são metálicos também, devido à natureza metálica de ambos materiais. Contudo as interações entre os íons liberados e o ambiente úmido em que se encontram podem levar a problemas de corrosão que precisam ser controlados.

Alguns íons que normalmente são adicionados fazem parte da composição natural dos ossos. A adição de íons de Ca2+, Cu2+, Sr2+, Mg2+, Zn2+, e B3+ em biomateriais causou uma melhoria na osteogênese e uma melhor regeneração óssea em geral. Entre alguns efeitos, a adição de cobre melhorou a diferenciação osteogênica em estudos in vitro. O cobalto também estimulou a angiogênese, que é o processo de formação de vasos sanguíneos, contribuindo com o processo de osteogênese. O silício apresentou efeitos significativos na mineralização óssea e na osteogênese. A figura 1 apresenta uma ilustração dos efeitos dos íons nas diferentes fase da osteoblastogênese e osteoclastogênese.

Em geral, diferentes íons apresentaram efeitos diversos no processo de osteogênese e os recentes desenvolvimentos em materiais biomédicos que incorporam esses íons demonstraram um grande potencial para estimular a regeneração de tecidos ósseos, porém ainda é necessário desenvolver mecanismos para efetuar uma liberação controlada e sob demanda desses íons.