Notícia

Novas válvulas cardíacas artificiais impressas em 3D são projetadas para que as próprias células do paciente formem novo tecido

Andreas Heddergott, Universidade Técnica de Munique

Fonte

TUM | Universidade Técnica de Munique

Data

terça-feira, 7 junho 2022 14:50

Áreas

Biomateriais. Biomecânica. Biotecnologia. Cardiologia. Engenharia Biológica. Engenharia Biomédica. Impressão 3D. Medicina. Nanotecnologia.

No corpo humano, quatro válvulas cardíacas garantem que o sangue flua na direção correta. É essencial que as válvulas cardíacas abram e fechem adequadamente. Para cumprir essa função, o tecido da válvula cardíaca é heterogêneo, o que significa que as válvulas cardíacas apresentam diferentes propriedades biomecânicas dentro do mesmo tecido.

Recentemente, uma equipe de pesquisadores liderados pela Dra. Petra Mela, professora de Materiais e Implantes Médicos da Universidade Técnica de Munique (TUM), e pela Dra. Elena De-Juan Pardo, professora  da Universidade da Austrália Ocidental, conseguiu, pela primeira vez, imitar essa estrutura heterogênea usando um processo de impressão 3D chamado melt electrowriting – ou eletroescrita por fusão. Para isso, eles desenvolveram uma plataforma que facilita a impressão de padrões personalizados precisos e sua combinação, o que lhes permitiu ajustar diferentes propriedades mecânicas dentro da mesma estrutura (scaffold).

Técnica permite criação de scaffolds precisos e personalizados

A técnica de eletroescrita por fusão é uma tecnologia de manufatura aditiva relativamente nova que usa alta tensão elétrica para criar padrões precisos de fibras de polímero muito finas. Um polímero é aquecido, derretido e empurrado para fora de uma cabeça de impressão como um jato líquido para formar as fibras.

Durante este processo, é aplicado um campo elétrico de alta tensão, que estreita consideravelmente o diâmetro do jato de polímero, acelerando-o e puxando-o em direção a um coletor. Isso resulta em uma fibra fina com um diâmetro normalmente na faixa de cinco a cinquenta micrômetros. Além disso, o campo elétrico estabiliza o jato de polímero, o que é importante para criar padrões definidos e precisos.

A ‘escrita’ do jato de fibra de acordo com padrões pré-definidos é realizada usando um coletor móvel controlado por computador. Deste modo, a plataforma móvel coleta a fibra emergente ao longo de um caminho definido. O usuário especifica este caminho programando suas coordenadas.

Para reduzir consideravelmente o esforço de programação associado à criação de estruturas complexas para válvulas cardíacas, os pesquisadores desenvolveram um software para atribuir facilmente diferentes padrões a diferentes regiões do scaffold, escolhendo entre uma biblioteca de padrões disponíveis. Além disso, as especificações geométricas como comprimento, diâmetro e espessura do scaffold podem ser facilmente ajustadas através da interface gráfica.

Estruturas da válvula cardíaca são compatíveis com células e biodegradáveis

A equipe usou policaprolactona de grau médico (PCL) para impressão 3D, que é compatível com células e biodegradável. A ideia é que, uma vez implantadas as válvulas cardíacas com PCL, as próprias células do paciente cresçam no scaffold poroso, como foi o caso nos primeiros estudos de cultura de células. As células podem então formar um novo tecido, antes que o suporte do PCL se degrade.

O suporte de PCL é incorporado em um material semelhante à elastina que imita as propriedades da elastina natural presente em válvulas cardíacas reais e fornece microporos menores que os poros da estrutura do PCL. O objetivo é deixar espaço suficiente para as células se acomodarem, mas selar as válvulas adequadamente para o fluxo sanguíneo.

As válvulas projetadas foram testadas usando um sistema circulatório de fluxo simulando a pressão e o fluxo sanguíneos fisiológicos. As válvulas cardíacas abriram e fecharam corretamente nas condições examinadas.

Nanopartículas permitem a visualização usando ressonância magnética

O material PCL foi desenvolvido e avaliado em conjunto com o Dr. Franz Schilling, professor de Ressonância Magnética Biomédica, e a Dra. Sonja Berensmeier, professora de Engenharia de Bioseparação na TUM. Ao modificar o PCL com nanopartículas de óxido de ferro superparamagnéticas ultrapequenas, os pesquisadores puderam visualizar os scaffolds usando ressonância magnética (MRI). O material modificado permanece compatível com as células. Isso pode facilitar a tradução da tecnologia para a clínica, pois os scaffolds podem ser monitorados no momento do implante.

“Nosso objetivo é projetar válvulas cardíacas bioinspiradas que apoiem a formação de novos tecidos funcionais em pacientes. As crianças se beneficiariam especialmente dessa solução, pois as válvulas cardíacas atuais não crescem com o paciente e, portanto, precisam ser substituídas ao longo dos anos em várias cirurgias. Nossas válvulas cardíacas, ao contrário, imitam a complexidade das válvulas cardíacas nativas e são projetadas para permitir que as próprias células do paciente se infiltrem no scaffold”, disse a professora Petra Mela.

O próximo passo no caminho para o uso clínico serão estudos pré-clínicos em modelos animais. A equipe também trabalha para melhorar ainda mais a tecnologia e desenvolver novos biomateriais.

Os últimos resultados foram publicados nas revistas científicas Advanced Functional Materials e Biomaterials Science.

Acesse o artigo científico completo na revista Advanced Functional Materials (em inglês).

Acesse o resumo do artigo científico na revista Biomaterials Science (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Técnica de Munique (em inglês).

Fonte: Carolin Lerch, Centro de Comunicação Corporativa da Universidade Técnica de Munique. Imagem: scaffold impresso para uma válvula cardíaca. As diferentes estruturas que garantem a biomecânica adequada são claramente visíveis. Fonte: Andreas Heddergott, Universidade Técnica de Munique.

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