1: Visão geral dos biomateriais

A biologia agora está sendo usada para enfrentar os desafios da engenharia, pois os materiais derivados biologicamente oferecem propriedades-chave que os materiais feitos pelo homem não podem. Os materiais bioderivados, 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 apresentará vários materiais bioderivados e apresentará técnicas e desafios comuns no campo.

Existem muitos polímeros de origem biológica, ou biopolímeros, usados na pesquisa de bioengenharia. Primeiro, o colágeno é um polímero de proteína amplamente utilizado, normalmente derivado da pele, tendão e osso bovinos e até mesmo de caudas de rato. As fibras de colágeno possuem uma estrutura de tripla hélice que confere resistência e rigidez ao material. Devido a essa propriedade, o colágeno é frequentemente usado como um componente estrutural de construções de tecidos projetados, especialmente em ossos e pele, como tecidos artificiais. Outro polímero de proteína comum é a seda, que é derivada do casulo das larvas da mariposa-da-seda. A estrutura secundária desta proteína possui vastas regiões cristalinas de folhas beta, permitindo alta resistência e flexibilidade. Tal como acontece com o colágeno, a seda é frequentemente usada como componente estrutural do tecido artificial, normalmente em tecidos flexíveis, como pele e músculos. No entanto, a seda também é moldada como uma película fina para dispositivos ópticos, bem como substratos de dispositivos elétricos. A quitosana, 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 controle simples dos processos de fabricação, aumentando o pH para solidificar o material. A quitosana é frequentemente usada na cicatrização de feridas, criando um filme biocompatível com a regeneração do tecido.

Agora vamos dar uma olhada em alguns métodos proeminentes usados para manipular esses biomateriais. Primeiro, os biomateriais são frequentemente fundidos como um hidrogel para criar uma estrutura altamente hidrofílica com maior biocompatibilidade. Um hidrogel é uma rede de polímeros de tipo sólido com alto teor de água e é frequentemente usado como uma construção de tecido em tecido artificial. Para fazer um hidrogel com colágeno, primeiro aqueça o polímero em uma solução aquosa, como meio de crescimento, e depois molde a solução em um molde. A solução é então resfriada até ficar sólida. A reticulação UV também pode ser usada para melhorar a estabilidade do gel, ligando covalentemente os resíduos nas cadeias poliméricas. Alternativamente, grânulos de hidrogel podem ser formados adicionando a solução de polímero gota a gota a uma solução de reticulação. As contas são então usadas para estabilizar as células nas proteínas. Os biomateriais também podem ser usados para formar tapetes fibrosos por meio de eletrofiação. Esta técnica é realizada através da aplicação de um campo elétrico entre uma superfície coletora e a ponta de uma seringa contendo solução de biopolímero. Isso induz a formação de fibras em microescala que criam estruturas que imitam a matriz extracelular do tecido. Alternativamente, filmes finos de biomateriais podem ser preparados por eletrodeposição. Para isso, um potencial é aplicado a uma célula de dois eletrodos contendo a solução de biomaterial. O biomaterial 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. Nesse caso, uma fina película de quitosana estabiliza a enzima glicose oxidase. Além disso, os biomateriais são frequentemente fundidos em uma superfície para formar uma película fina. A solução é primeiro colocada em um substrato e depois seca para remover todo o solvente. A espessura do filme é controlada usando o volume e a concentração da solução.

Embora os biomateriais sejam amplamente utilizados em bioengenharia, existem desafios inerentes associados ao seu uso. Primeiro, os biomateriais possuem propriedades naturais que são governadas 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 do ano. Isso pode resultar em variabilidade de lote para lote que causa pequenas diferenças na aplicação final. Finalmente, a maioria dos biomateriais é solúvel em água, limitando assim sua estabilidade. Como algumas aplicações exigem que o material seja permanente, técnicas de reticulação ou estabilização podem ser necessárias para prolongar sua vida útil. No entanto, isso pode resultar em alterações indesejáveis nas propriedades mecânicas.

Materiais de origem biológica são usados em uma ampla gama de aplicações em pesquisas de bioengenharia. Primeiro, os biomateriais são frequentemente usados em aplicações de administração de medicamentos, pois são tipicamente biodegradáveis e biocompatíveis. Por exemplo, os hidrogéis oferecem uma matriz biocompatível capaz de conter moléculas sensíveis de medicamentos. Eles se degradam a uma taxa previsível, dependendo das propriedades do material, permitindo assim a liberação controlada de um medicamento. Os biomateriais têm sido amplamente utilizados na medicina, especificamente com suturas de seda e com bandagens e adesivos à base de quitosana para cicatrização de feridas. Neste exemplo, os filmes adesivos cirúrgicos de quitosana foram preparados com um corante de diagnóstico médico. Mais tarde, eles foram fundidos em 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 poliméricos. Para isso, as fitas de DNA são projetadas com uma sequência específica que induz o dobramento preciso da fita de DNA em estruturas e padrões complexos chamados origami de DNA. Essas estruturas podem então ser usadas para criar conjuntos funcionais capazes de detectar pistas biológicas, mudar de forma ou liberar biomoléculas incorporadas.

Você acabou de assistir à visão geral da JoVE sobre materiais derivados biologicamente. 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.