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.

O fosfato de cálcio é um tipo de cerâmica bioativa composta por íons de cálcio e fósforo. Por sua composição química ser semelhante ao tecido ósseo natural, é amplamente utilizado na área da medicina. Não só tem boa biocompatibilidade, como também pode formar ligações químicas com o novo tecido ósseo. Assim, podendo induzir a regeneração do tecido.

Entre os fosfatos de cálcio, a hidroxiapatita (HA) é a fase cristalina termodinamicamente mais estável do fosfato de cálcio nos fluidos corporais, sendo mais semelhante às partes minerais dos nossos dentes e ossos. A hidroxiapatita em nanoescala tem certas semelhanças com a apatita óssea (natural) em relação à sua composição química, estrutura e escala. 

Na microestrutura da biocerâmica nanométrica, os grãos refinados e o aumento dos números dos contornos de grão podem fazer com que suas propriedades mecânicas (principalmente tenacidade à fratura) e atividade biológica aumentem. Isso torna a nanohidroxiapatita (nano-HA) um material ideal para reparo ósseo. 

Assim, o processo de preparação da nanocerâmica não é muito diferente do da cerâmica comum (geralmente segue o processo de sinterização do pó), mas do ponto de vista técnico, o processo de preparação da nanocerâmica é extremamente difícil e é esse ponto de vista que os autores apresentam no artigo.

Em resumo, as duas maiores dificuldades na preparação de hidroxiapatita nanométrica residem na síntese do pó nanométrico (devido a alta área de superfície, que se torna fácil de aglomerar) e na sinterização da nanocerâmica (para inibir o crescimento de grão da nanocerâmica).

Os métodos de síntese do pó cerâmico de hidroxiapatita incluem principalmente síntese seca e síntese úmida. A preparação da síntese a seco é um método de preparação que consiste em selecionar um precursor, misturá-lo e, em seguida, tratar termicamente o precursor. 

Este método tem requisitos rigorosos quanto à pureza e dosagem dos reagentes e tem a vantagem de uma melhor cristalinidade dos produtos. No entanto, a síntese a seco requer uma temperatura relativamente alta, o que afeta a porosidade dos produtos. 

A síntese úmida consiste no método sol-gel, método de precipitação química, método de reação hidrotérmica e assim por diante, que é realizado em água ou solventes orgânicos e pode ser aplicado a uma variedade de equipamentos com a adição de vários catalisadores. 

As vantagens são que a estrutura e a morfologia da cerâmica podem ser bem controladas e o rendimento pode ser melhorado. A desvantagem é que a pureza e a cristalinidade geradas não são totalmente controladas e pode haver outros cristais de fosfato no produto.

Além disso, de acordo com os vários métodos de síntese, os pós têm certas diferenças em estrutura, morfologia e tamanho. Além disso, sob o mesmo método de síntese, diferentes condições de síntese também afetam a morfologia final do pó.

Este artigo resumiu o processo de síntese das nanopartículas cerâmicas nos seguintes aspectos: concentração de reagentes, efeitos da temperatura, efeitos de tensão (no processo de moagem), efeitos do pH, efeitos dos aditivos, efeitos da agitação dos reagentes e efeitos do tempo de envelhecimento.

Figura 1: Nanopartículas de hidroxiapatita (a) esféricas; (b) semelhantes a bastões (c) semelhantes a agulhas, resultantes do controle diferentes parâmetros no processamento do pó. Fonte: (Gui et al. 2022).

Em relação à concentração, a concentração dos reagentes é o fator chave que afeta a síntese da hidroxiapatita. A razão cálcio/fosfato (Ca/P) é 1,6, então a concentração dos reagentes determina a pureza da hidroxiapatita e também afeta o tamanho do grão sob certas condições.

Na temperatura e sobre os aditivos, os autores citam que quanto mais alta for a temperatura, mais rápida a velocidade da reação e mais fácil é a nuclearização e cristalização do pó cerâmico.

No processo de moagem (efeitos de tensão), os autores citam que quando a pressão de moagem atinge um valor crítico, a reação começa e conforme a pressão aumentar, mais rápida a taxa de reação, que aumenta a taxa de cristalização do pó cerâmico, reduzindo a cristalinidade e tamanho de grão.

Já em relação ao pH, os autores sugerem que o aumentando o pH, aumenta a relação Ca/P, e portanto, se você deseja sintetizar a hidroxiapatita pura, deve controlar rigorosamente o valor do pH. Os autores citam que, geralmente, o valor de pH da síntese úmida está entre 10 e 10,5.

Já sobre os efeitos de agitação e do tempo de envelhecimento, os autores citam que a velocidade de agitação mais alta e o tempo de agitação mais longo afetam a morfologia do cristal e que na fase de envelhecimento, quanto mais longo o envelhecimento tempo é, melhor a formação do grão do pó cerâmico.

Os autores concluem que ainda existem muitos problemas na preparação de nanocerâmicas, incluindo a síntese das nanopartículas e na sinterização de cerâmicas, que ainda precisam ser mais estudadas. Além de ser necessário otimizar ainda mais a tecnologia do processo.

O que aponta fortemente para a importância da engenharia de materiais e toda sua gama de aplicação, tanto na melhoria do processo, como na melhoria da tecnologia dos equipamentos e também na aplicação dos materiais nanoparticulados, que no caso do artigo citado podem ser aplicados em carreadores de drogas, revestimentos de superfície, na quimioterapia antineoplásica e em materiais compósitos.