Visão geral dos biomateriais

A biologia está sendo usada para enfrentar desafios de engenharia, pois materiais biologicamente derivados oferecem propriedades-chave que os materiais feitos pelo homem não podem. Materiais biodusivos, às vezes chamados de biomateriais, são criados a partir de organismos vivos ou outrora vivos. Esses materiais ganharam popularidade recentemente, pois são biocompatíveis e podem atuar como matrizes que podem abrigar biomoléculas e células. Este vídeo introduzirá vários materiais biodusivos e introduzirá técnicas e desafios comuns no campo.

Existem muitos polímeros biologicamente derivados, ou biopolímeros, usados em pesquisas de bioengenharia. Primeiro, o colágeno é um polímero proteico amplamente utilizado tipicamente derivado da pele bovina, tendão e osso e até caudas de rato. As fibras de colágeno possuem uma estrutura de hélice tripla que dá força e rigidez ao material. Por causa dessa propriedade, o colágeno é frequentemente usado como um componente estrutural de construções de tecidos projetados especialmente em ossos e pele como tecido artificial. Outro polímero de proteína comum é a seda que é derivada do casulo das larvas de mariposa de seda. A estrutura secundária desta proteína possui vastas regiões cristalinas de folhas beta permitindo alta resistência e flexibilidade. Como acontece com o colágeno, a seda é frequentemente usada como componente estrutural do tecido artificial, tipicamente em tecidos flexíveis como pele e músculo. No entanto, a seda também é lançada como uma película fina para dispositivos ópticos, bem como substratos de dispositivos elétricos. Chitosan, outro biopolímero, é o polissacarídeo derivado de conchas de crustáceos como caranguejos ou lagostas. A solubilidade do polímero é baseada em pH. Isso permite o simples controle dos processos de fabricação aumentando o pH para solidificar o material. Chitosan é frequentemente usado na cicatrização de feridas criando um filme que é biocompatível com tecido regenerador.

Agora vamos dar uma olhada em alguns métodos proeminentes usados para manipular esses biomateriais. Primeiro, os biomateriais são frequentemente lançados como um hidrogel para criar uma estrutura altamente hidrofílica com maior biocompatibilidade. Um hidrogel é uma rede de polímeros sólida com alto teor de água e é frequentemente usado como uma construção tecidual em tecido artificial. Para fazer um hidrogel com colágeno, primeiro aqueça o polímero em uma solução aquosa, como a mídia de crescimento, e depois lance a solução em um molde. A solução é então resfriada até ficar sólida. O crosslinking UV também pode ser usado para melhorar a estabilidade do gel, ligando os resíduos nas cadeias de polímeros. Alternativamente, as contas de hidrogel podem ser formadas adicionando a solução de polímero dropwise a uma solução de crosslinking. As contas são então usadas para estabilizar células em proteínas. Os biomateriais também podem ser usados para formar tapetes fibrosos através de eletropinning. Esta técnica é realizada aplicando um campo elétrico entre uma superfície coletora e a ponta de uma seringa contendo solução biopolímera. Isso induz a formação de fibras de microescala que, em seguida, criam estruturas que imitam a matriz extracelular no tecido. Alternativamente, filmes finos de biomateriais podem ser preparados através de eletrodeposição. Para isso, um potencial é aplicado a uma célula de dois eletrodos contendo a solução biomaterial. O bioma material migra para um dos eletrodos formando uma película fina na superfície. Esses filmes finos podem ser usados para tornar uma superfície biocompatível, por exemplo, para estabilizar enzimas montadas na superfície nas células. Neste caso, um filme fino de chitosan estabiliza a enzima glicose oxidase. Além disso, biomateriais são frequentemente soluções lançadas em uma superfície para formar um filme fino. A solução é primeiro lançada em um substrato e depois seca para remover todos os solventes. A espessura do filme é controlada usando o volume e concentração da solução.

Embora os biomateriais sejam amplamente utilizados na bioengenharia, existem desafios inerentes associados ao seu uso. Primeiro, os biomateriais possuem propriedades naturais que são regidas por sua fonte e estrutura molecular. Embora esses materiais possam ser aproveitados para uma ampla gama de aplicações, modificar suas propriedades inerentes pode ser difícil. Além disso, o processamento do material altera suas propriedades, às vezes de forma adversa. Os biomateriais são derivados de fontes naturais que podem variar de acordo com as espécies do organismo e fatores ambientais como a estação. Isso pode resultar em variabilidade em lote a lote que causa pequenas diferenças na aplicação final. Finalmente, a maioria dos biomateriais são solúveis em água, limitando assim sua estabilidade. Uma vez que algumas aplicações exigem que o material seja permanente, técnicas de crosslinking ou estabilização podem ser necessárias para estender sua vida útil. No entanto, isso pode resultar em mudanças indesejáveis nas propriedades mecânicas.

Materiais biologicamente derivados são usados em uma ampla gama de aplicações em pesquisas de bioengenharia. Em primeiro lugar, os biomateriais são frequentemente usados em aplicações de entrega de medicamentos, uma vez que são tipicamente biodegradáveis e biocompatíveis. Por exemplo, hidrogéis oferecem uma matriz biocompatível capaz de conter moléculas de drogas sensíveis. Eles se degradam a uma taxa previsível, dependendo das propriedades do material, permitindo assim a liberação controlada de uma droga. Os biomateriais têm sido usados extensivamente na medicina, especificamente com suturas de seda e com ataduras à base de chitosan e adesivos para cicatrização de feridas. Neste exemplo, foram elaborados filmes de adesivo cirúrgico chitosano com um corante diagnóstico médico. Mais tarde, eles foram fundidos através do tecido cortado para fechar a ferida como uma alternativa às suturas. Uma área em evolução do campo de biomateriais trata proteínas e outras biomoléculas, como o DNA neste caso, como materiais polímeros. Para isso, os fios de DNA são projetados com uma sequência específica que induz a dobra precisa da cadeia de DNA em estruturas complexas e padrões chamados origami de DNA. Essas estruturas podem então ser usadas para criar conjuntos funcionais capazes de sentir sinais biológicos, alterar a forma ou liberar biomoléculas incorporadas.

Você acabou de ver a visão geral da JoVE sobre materiais biologicamente derivados. Agora você deve entender as origens e propriedades de vários biomateriais comuns, algumas técnicas usadas no laboratório para processá-los, e alguns desafios associados ao seu uso. Obrigado por assistir.