Design and Fabrication of Bio-Inspired Bouligand-Structured Scaffold for Bone Tissue Engineering Applications

Quando um osso quebra de forma grave, os médicos frequentemente precisam substituir a peça ausente por um arcabouço (scaffold), uma estrutura tridimensional temporária que guia o crescimento de novo osso. Para que isso funcione, o arcabouço deve ser mais do que apenas uma gaiola oca; ele precisa ser forte o suficiente para suportar peso, poroso o suficiente para permitir o fluxo de vasos sanguíneos e nutrientes, e quimicamente ativo o suficiente para encorajar as células a construir novo tecido. A natureza já resolveu esse problema nas carapaças de crustáceos e nas escamas de peixes, onde camadas de material são torcidas em um padrão espiral para criar estruturas que são simultaneamente resistentes e flexíveis. Os cientistas chamam isso de estrutura de Bouligand. O desafio para os engenheiros é recriar esse design natural de uma forma que imite o osso humano sem ser excessivamente rígido, o que pode fazer com que o osso circundante enfraqueça e se dissolva, ou fraco demais para sustentar o corpo.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Vellore, na Índia, propôs-se a projetar e construir um novo tipo de arcabouço ósseo que combina essa arquitetura espiral com uma mistura especial de materiais. Eles queriam criar uma estrutura que não apenas suportasse o peso, mas que também gerasse minúsculos sinais elétricos ao ser comprimida, uma propriedade conhecida como piezoelectricidade. No corpo humano, o osso natural produz esses sinais elétricos quando suporta peso, e esses sinais ajudam a dizer às células ósseas para crescer e se reparar. Para alcançar isso, os pesquisadores misturaram uma cerâmica semelhante ao osso, a hidroxiapatita, com uma cerâmica piezoelétrica, o titanato de bário, e uma pequena quantidade de um material de carbono condutor conhecido como grafeno. Eles usaram simulações de computador para testar milhares de diferentes combinações desses materiais e diferentes níveis de porosidade, buscando o equilíbrio perfeito onde o arcabouço fosse forte, permitisse o fluxo de fluidos e gerasse a quantidade certa de eletricidade para ajudar o osso a cicatrizar.

Os pesquisadores começaram modelando minúsculos cubos de sua mistura de materiais para prever como os diferentes ingredientes se comportariam juntos. Eles descobriram que a adição de titanato de bário tornava o material mais rígido e eletricamente ativo, enquanto o grafeno ajudava a conduzir a carga elétrica de forma mais eficiente. No entanto, eles também descobriram que o excesso de material piezoelétrico poderia ser prejudicial às células, portanto, encontrar a quantidade certa era crítico. Eles então escalaram essas descobertas para projetar arcabouços de tamanho real com uma estrutura em camadas e espiral. Usando modelagem computacional avançada, eles simularam como esses arcabouços lidariam com a pressão e como a água fluiria através de seus poros. As simulações mostraram que um arcabouço com 70 por cento de material sólido e 30 por cento de espaço vazio oferecia o melhor equilíbrio. Esse design específico, feito de uma mistura de 90 por cento de hidroxiapatita, 9,9 por cento de titanato de bário e 0,1 por cento de grafeno, igualou a rigidez do osso esponjoso humano denso e gerou um sinal elétrico dentro da faixa segura e benéfica para o crescimento ósseo.

Uma vez finalizado o design no computador, a equipe partiu para o laboratório para construí-lo. Eles misturaram os pós cerâmicos com um aglutinante líquido para criar uma pasta espessa, semelhante a uma argila pesada, que foi carregada em uma impressora 3D. A impressora funcionava como uma pistola de cola de alta precisão, expelindo finas camadas da pasta, camada por camada. Os pesquisadores tiveram que ajustar cuidadosamente a velocidade de impressão e a pressão usada para empurrar a pasta, garantindo que os fios mantivessem sua forma sem colapsar ou se espalhar demais. Eles testaram diferentes concentrações do aglutinante para encontrar aquela que permitia que os fios permanecessem firmes imediatamente após serem impressos. Com as configurações corretas, eles imprimiram com sucesso a complexa estrutura espiral, criando um objeto sólido com uma rede de pequenos buracos conectados percorrendo-o.

O produto final era um pequeno cilindro branco e poroso que parecia um favo de mel em miniatura, mas com um padrão interno de camadas torcidas. Quando os pesquisadores examinaram o objeto impresso sob um microscópio, confirmaram que os diferentes materiais estavam misturados uniformemente e que os fios eram fortes e uniformes. Os modelos de computador haviam previsto que esse design específico permitiria que o fluido fluísse através dele a uma taxa semelhante à do osso humano natural, e a estrutura física confirmou esse potencial. O estudo demonstra que, ao copiar o design espiral da natureza e misturar cuidadosamente materiais específicos, é possível criar um arcabouço que seja mecanicamente compatível com o corpo humano e capaz de estimular o crescimento ósseo através de sinais elétricos. Embora os pesquisadores observem que testes adicionais em sistemas vivos sejam necessários para confirmar o quão bem esses arcabouços funcionam dentro de um corpo, o design e a fabricação bem-sucedidos desta estrutura marcam um passo significativo para a criação de tratamentos melhores e mais eficazes para lesões ósseas graves.