Avanços de íons metálicos levam a novos biomateriais para reparo de tecidos

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Avanços de íons metálicos levam a novos biomateriais para
reparo de tecidos
Um novo mecanismo para produzir potentes elastômeros biodegradáveis com um futuro promissor na
regeneração tecidual.
Microscópio mostrando as células sanguíneas. Crédito da imagem: ThisisEngineering RAEngng on
Unsplash
Metais como ferro e cálcio desempenham um papel crucial dentro do corpo humano, por isso não é
surpresa que os bioengenheiros gostariam de integrá-los nos materiais macios e elásticos usados para
reparar a pele, vasos sanguíneos, pulmões e outros tecidos.
Projetar elastômeros – um tipo de polímero com propriedades semelhantes a borracha – é um processo
trabalhoso que produz um produto com versatilidade limitada. Mas os engenheiros da Cornell
desenvolveram uma nova estrutura que faz com que o design do elastômero seja um processo modular,
permitindo a mistura e a correspondência de diferentes metais com um único polímero.
A estrutura foi concebida quando pesquisadores do Laboratório de Biofoundry da Cornell procuraram
criar um enxerto vascular elástico que pudesse ajudar a reparar o tecido cardíaco usando cobre. Yadong
Wang, professor da Fundação da Família McAdam de Tecnologia Cardíaca na Escola de Engenharia
Biomédica de Meinig, e o associado de pós-doutorado Ying Chen queriam incorporar o cobre em seu
enxerto por causa de seu papel na indução da angiogênese – o processo pelo qual novos vasos
sanguíneos crescem dos existentes.
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Imagens de MEV de seções transversais de tubo
poroso 9oCu-PAS
Misturar cobre e outros íons metálicos com polímeros permaneceu uma área de nicho de química, por
isso não havia nenhum modelo para Chen seguir. Em vez disso, ela se prolojou para projetar um
elastômero biocompatível e biodegradável do zero.
O principal avanço de Chen foi a reticulação de seu polímero com íons de cobre usando ligantes
quelantes – moléculas que ligam firmemente um íon metálico usando duas ou mais ligações, “como uma
garra de caranguejo belisa um objeto”, disse Wang. Embora as ligações de quelação sejam
consideradas de força moderada em química, os elastômeros têm muitas moléculas reticuladas, de
modo que uma infinidade de ligantes quelantes pode trabalhar em conjunto para formar uma molécula
forte.
E como um ligante pode ligar vários íons metálicos, ele pode produzir uma ampla gama de propriedades
mecânicas - como rigidez e tenacidade - bem como propriedades biomédicas. Por exemplo, os íons de
cobre de um polímero podem ser substituídos por zinco, ou uma combinação de cobre e zinco pode ser
usada – um tandem que está presente em uma enzima importante para combater o envelhecimento
humano.
“A descoberta foi muito emocionante”, disse Chen. “Eu só queria seguir em frente com meu elastômero
de cobre porque estou focado na engenharia de tecidos, mas o professor Wang estava dizendo:
‘Desacelere, precisamos testar o quão poderosa é essa plataforma e o que podemos fazer com ela’”.
Como prova de conceito, Chen projetou seis elastômeros exclusivos usando um polímero e seis metais
diferentes, e depois fez um sétimo elastômero usando uma mistura de cálcio-magnésio. Foi a primeira
vez que alguém demonstrou um elastômero de íons de metal biodegradável – muito menos sete deles.
“Quando Ying me mostrou o que ela tinha feito, eu disse: ‘Este material é incrível'”, disse Wang. “Há
tanta coisa que você pode fazer apenas com este design simples. Usando muitos tipos diferentes de
íons metálicos, um polímero pode se transformar em oito, nove, 10 elastômeros diferentes.
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A equipe de pesquisa também realizou experimentos mecânicos e de biocompatibilidade em seus
elastômeros, testando o estresse, a tensão e a capacidade dos materiais de serem usados com tecido
vivo. A durabilidade e biocompatibilidade dos elastômeros combinavam com a dos biomateriais mais
tradicionais utilizados na medicina.
“O material de cobre era muito elástico”, disse Chen. “Pode ser esticado pelo menos centenas de vezes
sem romper.”
Agora que a plataforma publicou, Chen está concentrando sua pesquisa no enxerto de elastômero de
cobre e sua capacidade de reparar vasos sanguíneos e tecido cardíaco. Enquanto isso, ela espera que
outros engenheiros usem sua plataforma para criar novos materiais para melhorar a reconstrução e
regeneração de tecidos moles.
Wang compartilha a mesma esperança, e disse que possíveis aplicações para a estrutura não se limitam
aos vasos sanguíneos e outros tecidos, mas poderiam ser usados para elastômeros industriais, como
pneus ecológicos que biodegradam.
“Estamos apenas arranhando a superfície”, disse ele.
Referência: Ying Chen, et al. Quelação Crosslinking de Elastômeros Biodegradáveis, Materiais
Avançados (2020). DOI: 10.1002/adma.202003761
Comunicado de imprensa fornecido pela Universidade de Cornell
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https://doi.org/10.1002/adma.202003761