Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering

Quando o coração sofre um ataque massivo, um bloqueio interrompe o suprimento de sangue, deixando um pedaço de tecido muscular morto e incapaz de se curar sozinho. Ao contrário de um osso quebrado que se une novamente, o músculo cardíaco tem uma capacidade muito limitada de regeneração. Uma vez que as células morrem, elas desaparecem, sendo substituídas por um tecido cicatricial rígido que não consegue bombear sangue. Para consertar isso, cientistas estão explorando um método chamado engenharia de tecidos, que visa construir estruturas artificres temporárias que possam apoiar novas células cardíacas e encorajar seu crescimento. Essas estruturas, conhecidas como arcaboiços (scaffolds), precisam fazer mais do que apenas manter as células no lugar; elas precisam imitar o ambiente natural do coração, que é macio, flexível e envia constantemente sinais elétricos para manter o coração batendo em ritmo. O desafio reside em criar um material que seja forte o suficiente para lidar com o estresse físico de um coração batendo, seguro o suficiente para ser aceito pelo corpo e condutivo o suficiente para carregar esses impulsos elétricos vitais.

Em um estudo recente, pesquisadores buscaram criar tal arcaboiço combinando três materiais distintos em uma única folha funcional. Eles combinaram um plástico sintético conhecido por sua elasticidade, um polímero natural à base de açúcar encontrado em crustáceos e um tipo especial de plástico que pode conduzir eletricidade. O plástico sintético, poliuretano termoplástico, fornece a elasticidade e durabilidade necessárias. O polímero natural, quitosana, oferece uma superfície que as células vivas reconhecem e gostam de aderir. Para resolver o problema da condutividade elétrica, a equipe adicionou o polipirrol, um material que permite que a eletricidade flua através dele, de forma semelhante a um fio, mas em uma forma que pode ser misturada com outros materiais macios. Eles também incluíram dois aditivos comuns, alginato de sódio e gluconato de cálcio, para ajudar a mistura a manter sua forma e interagir melhor com o corpo. O objetivo era ver se essa combinação específica poderia criar uma estrutura estável e porosa que apoiasse o crescimento de células cardíacas enquanto conduz eletricidade.

Os pesquisadores começaram dissolvendo esses componentes em vários solventes e misturando-os em diferentes proporções para encontrar o equilíbrio perfeito. Eles descobriram que simplesmente misturar o plástico e o polímero natural sem os outros ingredientes resultava em uma folha que era muito densa e carecia dos pequenos buracos, ou poros, que as células precisam para respirar e se movimentar através deles. No entanto, quando introduziram os aditivos e o material condutor, a mistura mudou. Os aditivos ajudaram a criar uma estrutura esponjosa com poros interconectados, o que é essencial para que as células se infiltrem no material. À medida que aumentavam a quantidade de polipirrol condutor, os poros tornavam-se menores e a superfície do material tornava-se mais rugosa. Essa rugosidade é, na verdade, benéfica, pois oferece às células mais área de superfície para se agarrarem, de forma semelhante a como uma superfície texturizada proporciona uma melhor aderência do que uma superfície lisa.

Crucialmente, a adição do material condutor transformou as propriedades elétricas do arcaboiço. A mistura básica de plástico e polímero natural não conduzia eletricidade de forma alguma. Mas assim que o polipirrol foi adicionado, a folha tornou-se capaz de carregar uma corrente elétrica. Quanto mais polipirrol eles adicionavam, melhor a folha conduzia a eletricidade. Esta é uma descoberta vital porque as células cardíacas dependem de sinais elétricos para coordenar seus batimentos; um arcaboiço que não consegue conduzir eletricidade falharia em apoiar o ritmo natural do coração. A equipe também testou como o material interagia com a água. Enquanto a mistura básica repelia a água, a adição do material condutor tornou a superfície mais amigável à água, o que geralmente ajuda as células a se fixarem e se espalharem com mais facilidade.

Para verificar se esses novos materiais eram seguros e eficazes, os pesquisadores testaram-nos em células cardíacas vivas e células de vasos sanguíneos em um ambiente de laboratório. Eles descobriram que as células não apenas sobreviveram nos arcaboiços, mas também cresceram bem e fixaram-se firmemente à superfície. As células cardíacas mantiveram sua forma característica e até começaram a mostrar sinais de desenvolvimento das estruturas internas necessárias para a contração. O estudo também observou como os arcaboiços se degradavam ao longo do tempo. Os materiais foram projetados para serem biodegradáveis, o que significa que se dissolveriam lentamente à medida que o novo tecido se formasse. Os resultados mostraram que os arcaboiços com o material condutor se degradavam um pouco mais rápido do que a mistura básica, provavelmente porque absorviam mais água. Isso sugere que eles poderiam desaparecer a uma taxa que corresponda ao crescimento do novo tecido cardíaco.

Além de apenas apoiar as células cardíacas, os pesquisadores investigaram se os arcaboiços poderiam incentivar o crescimento de novos vasos sanguíneos, um processo conhecido como angiogênese. Sem um suprimento fresco de vasos sanguíneos, o novo tecido cardíaco não pode sobrevera. Usando um modelo biológico envolvendo embriões de galinha, eles observaram que os arcaboiços contendo o material condutor e o aditivo de cálcio promoviam o crescimento de novos vasos sanguíneos de forma mais eficaz do que a mistura básica. Isso indica que a combinação específica de ingredientes não apenas apoia as células do músculo cardíaco diretamente, mas também ajuda a construir a rede vascular necessária para alimentá-las. O estudo também observou que os arcaboiços mostraram alguma capacidade de inibir o crescimento de certas bactérias, o que poderia ser um efeito colateral útil para prevenir infecções após a implantação.

Os pesquisadores concluíram que a versão mais promissora de seu arcaboiço era aquela contendo uma quantidade específica e moderada de material condutor. Esta versão oferecia o melhor equilíbrio: era forte o suficiente para manter sua forma, flexível o suficiente para se mover com o coração, condutiva o suficiente para carregar sinais elétricos e porosa o suficiente para permitir que as células crescessem dentro dela. Embora o estudo não tenha testado o material dentro de um coração humano ou animal vivo, os resultados laboratoriais sugerem que esta combinação de materiais cria um ambiente favorável para a reparação cardíaca. Ao ajustar cuidadosamente a mistura de plástico sintético, polímero natural e material condutor, a equipe criou uma plataforma que aborda os múltiplos requisitos complexos da engenharia de tecido cardíaco, oferecendo um caminho potencial para reparar o músculo cardíaco danificado que atualmente não possui uma forma natural de se curar sozinho.