Notícia

Novos modelos computacionais podem ajudar pesquisadores a projetar hidrogéis para reparar ou substituir tecidos lesionados

Divulgação, MIT

Fonte

Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

quinta-feira, 2 fevereiro 2023 06:40

Áreas

Bioengenharia. Biologia. Biomedicina. Biotecnologia. Ciência dos Materiais. Engenharia Biológica. Engenharia Biomédica. Engenharia de Tecidos. Impressão 3D. Medicina. Modelagem Computacional.

Materiais na forma de hidrogel que possam ser injetados no corpo têm grande potencial para curar tecidos feridos ou para criar tecidos inteiramente novos. Muitos pesquisadores estão trabalhando para desenvolver esses hidrogéis para uso biomédico, mas até agora poucos chegaram à clínica.

Para ajudar a orientar o desenvolvimento de tais materiais, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e da Universidade Harvard, nos Estados Unidos, criaram um conjunto de modelos computacionais para prever a estrutura do material, propriedades mecânicas e resultados de desempenho funcional. Os pesquisadores esperam que sua nova estrutura facilite o design de materiais que podem ser injetados para diferentes tipos de aplicações, o que até agora tem sido principalmente um processo de tentativa e erro.

“É realmente empolgante do ponto de vista do material e do ponto de vista da aplicação clínica”, disse a Dra. Ellen Roche, professora de Engenharia Mecânica e membro do Institute for Medical Engineering and Science do MIT. “De forma mais ampla, é um bom exemplo de como tratar dados de laboratório e sintetizá-los em algo utilizável que pode fornecer diretrizes preditivas que podem ser aplicadas a materiais além desses hidrogéis”.

A professora Ellen Roche e Dra. Jennifer Lewis, professora do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada em Harvard, são as autoras seniores do estudo, publicado na revista científica Matter. Connor Verheyen, aluno de pós-graduação do Programa Harvard-MIT em Ciências e Tecnologia da Saúde, é o autor principal do artigo.

Modelagem de materiais

Quando os blocos individuais de hidrogel são densamente compactados, eles formam um material semelhante a um gel conhecido como matriz granular. Esses materiais podem atuar como sólidos ou líquidos, dependendo das condições, o que os torna bons candidatos para aplicações como tecidos de engenharia através de bioimpressão 3D. Uma vez injetados ou implantados no corpo, eles podem liberar drogas ou ajudar a regenerar o tecido lesionado.

“Esses materiais têm muita flexibilidade e capacidade de customização, por isso há muita empolgação em usá-los para aplicações biomédicas”, disse Connor Verheyen.

Enquanto trabalhava no laboratório da Dra. Jennifer Lewis, Verheyen, que é co-orientado pelas duas professoras, começou a tentar descobrir como fazer com que esses materiais fossem injetáveis de forma confiável. Isso acabou sendo uma tarefa difícil que exigiu muita experimentação na forma de tentativa e erro, alterando diferentes características dos géis na esperança de otimizar sua estrutura e comportamento mecânico para melhorar sua qualidade de injeção, ou sua injetabilidade.

“Isso estimulou o esforço de pegar os dados empíricos, transformá-los em algo que uma máquina pudesse ler e trabalhar e, em seguida, construir um mapa preditivo que pudesse nos ajudar a entender o que estava acontecendo e como ir para o próximo passo”, disse o pesquisador.

Para criar sua estrutura de design, os pesquisadores dividiram o processo de montagem em várias etapas. Eles modelaram cada um desses estágios separadamente, usando dados de seus próprios experimentos, que foram feitos em uma variedade de condições diferentes.

Na primeira etapa, o modelo analisou como as propriedades do biobloco são afetadas pelo material de partida dos blocos e como eles são montados. Na segunda etapa, os bioblocos são compactados para formar estruturas chamadas ‘hidrogéis granulares’. Por meio de sua modelagem, os pesquisadores identificaram vários fatores que influenciam a injetabilidade do gel final, incluindo o tamanho e a rigidez dos bioblocos, a viscosidade do fluido intersticial entre os blocos e as dimensões da agulha e seringa usadas para injetar o gel.

Melhor injetabilidade

Agora que modelaram o processo do início ao fim, os pesquisadores podem usar seu modelo para prever a melhor maneira de criar um material com as características necessárias para uma aplicação específica, em vez de passar por um extenso processo de tentativa e erro para cada novo material.

“Nosso objetivo de longo prazo era chegar ao ponto em que tivéssemos propriedades de injeção confiáveis e previsíveis, porque isso era algo com o que realmente lutávamos no laboratório — fazer com que esses materiais fluíssem adequadamente”, disse Connor Verheyen.

Os pesquisadores também disponibilizaram seus modelos e os dados usados para gerá-los online para outros pesquisadores usarem.

“É tudo de código aberto e, com sorte, [esse trabalho] reduzirá a frustração com os problemas que você pode ter ao reproduzir algo que aconteceu em outro laboratório, ou mesmo dentro de um laboratório ao transferir conhecimento de uma pessoa para outra”, concluiu a professora Ellen Roche.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

Fonte: Anne Trafton, MIT News Office. Imagem: dois materiais são formados a partir de blocos de hidrogel idênticos, mas o material à esquerda exibe características mais semelhantes a líquidos porque possui mais fluido entre os blocos. O material da direita se comportaria mais como um sólido e seria mais difícil de injetar. Fonte: Divulgação, MIT.

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