Um biomaterial que pode imitar certos comportamentos nos tecidos biológicos pode promover a medicina regenerativa, modelagem de doenças, robótica suave e muito mais, de acordo com pesquisadores da Penn State.
Os materiais criados até este ponto para imitar tecidos e matrizes extracelulares (ECMs) – o andaime biológico do corpo de proteínas e moléculas que envolve e suporta tecidos e células – todos tiveram limitações que dificultam suas aplicações práticas, de acordo com a equipe. Para superar algumas dessas limitações, os pesquisadores desenvolveram um materials “vivo” de base biológica que abrange propriedades de autocura e imita a resposta biológica dos ECMs ao estresse mecânico.
Eles publicaram seus resultados em Horizontes de materiaisonde a pesquisa também foi apresentada na capa da revista.
“Desenvolvemos um materials sem células-ou acelular-que imita dinamicamente o comportamento dos ECMs, que são os principais blocos de construção de tecidos de mamíferos que são cruciais para a estrutura do tecido e as funções celulares”, disse o autor correspondente Amir Sheikhi, professor associado de Professor de A Engenharia Química e o Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck Huck, presidente da carreira em biomateriais e engenharia regenerativa.
Segundo os pesquisadores, as iterações anteriores de seu material-um hidrogel ou rede de polímeros ricas em água-eram sintéticas e careciam da combinação desejada de capacidade de resposta mecânica e imitação biológica dos ECMs.
“Especificamente, esses materiais precisam replicar o estiramento não-linear, que é quando as redes de ECM endurecem sob tensão causada por forças físicas exercidas por células ou estímulos externos”, disse Sheikhi, explicando que a deformação não linear é importante para fornecer suporte estrutural e facilitar a célula sinalização. “Os materiais também precisam replicar as propriedades de auto-cicatrização necessárias para a estrutura e a sobrevivência dos tecidos. Os hidrogéis sintéticos anteriores tiveram dificuldades em equilibrar a complexidade materials, a biocompatibilidade e a imitação mecânica dos ECMs”.
A equipe abordou essas limitações desenvolvendo hidrogéis vivos de nanocompósitos acelulares (Livgels) feitos de nanopartículas “peludas”. As nanopartículas são compostas por nanocristais, ou “nlinkers”, com cadeias de celulose desordenadas, ou “cabelos”, nas extremidades. Esses cabelos introduzem anisotropia, o que significa que os nlinkers têm propriedades diferentes, dependendo de sua orientação direcional e permitem a ligação dinâmica com redes de biopolímero. Nesse caso, as nanopartículas ligadas a uma matriz biopolimérica de alginato modificado, que é um polissacarídeo pure encontrado em algas marrons.
“Esses nlinkers formam ligações dinâmicas dentro da matriz que permitem o comportamento de resfriamento por tensão, ou seja, imitando a resposta da ECM ao estresse mecânico; e propriedades de autocura, que restauram a integridade após danos”, disse Sheikhi, observando que os pesquisadores usaram testes reológicos, que mede como o materials se comporta sob vários estressores, para medir a rapidez com que os Livgels recuperaram sua estrutura após alta tensão. “Essa abordagem de design permitiu o ajuste fino das propriedades mecânicas do materials para combinar com as dos ECMs naturais”.
Criticamente, disse Sheikhi, esse materials é totalmente feito de materiais biológicos e evita polímeros sintéticos com possíveis problemas de biocompatibilidade. Além de mitigar as limitações dos materiais desenvolvidos anteriormente, os Livgels atingem as traços duplos da mecânica não linear e da autocura sem sacrificar a integridade estrutural. Os NLinkers facilitam especificamente as interações dinâmicas que permitem controle preciso das propriedades de rigidez e tensão. Tomados em conjunto, a abordagem de design converte hidrogéis estáticos a granel em hidrogéis dinâmicos que imitam intimamente os ECMs.
As aplicações em potencial incluem andaimes para reparo e regeneração de tecidos na medicina regenerativa, simulando o comportamento do tecido para testes de medicamentos e criando ambientes realistas para o estudo da progressão da doença. Os pesquisadores disseram que também pode ser usado para hidrogéis personalizáveis de bioprinting 3D ou para o desenvolvimento de robótica suave com propriedades mecânicas adaptáveis.
“Nossas próximas etapas incluem otimizar Livgels para tipos específicos de tecidos, explorando aplicações in vivo para medicina regenerativa, integrando Livgels com plataformas de bioprinting 3D e investigando potencial em dispositivos dinâmicos vestíveis ou implantáveis”, disse Sheikhi.
Roya Koshani, um estudioso de pós-doutorado em engenharia química da Penn State, e Sina Kheirabadi, candidata a doutorado em engenharia química da Penn State, foram co-autores no papel. O Sheikhi também é afiliado aos departamentos de engenharia biomédica, química e neurocirurgia e com os institutos de Huck das ciências da vida.
O apoio a esta pesquisa foi fornecido pela Penn State, inclusive de: The Dorothy Foehr Huck e J. Lloyd Huck, presidente da carreira; o Centro de Convergência para sistemas de materiais multifuncionais vivos e o aglomerado de Sistemas de Materiais de Excelência em Materiais Adaptativos e Autonomos de Materiais Vivos para Materiais Multifuncionais de Pesquisa Colaborativa de Pesquisa; o Instituto de Pesquisa de Materiais; e a faculdade de materiais de engenharia é importante nos subsídios de sementes de nível humano.
