Materiais 4D de mudança de forma oferecem novas oportunidades para a engenharia de tecidos

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Materiais 4D de mudança de forma oferecem novas
oportunidades para a engenharia de tecidos
Um novo hidrogel pode incorporar construções de alta densidade celular para melhor imitar o rearranjo
do tecido nativo na bioengenharia.
Em outro desenvolvimento emocionante para o campo da bioengenharia, novos materiais de mudança
de forma 4D desenvolvidos por pesquisadores da Universidade de Chicago Illinois podem ser o próximo
avanço na cura de tecidos.
Os materiais 4D são aqueles que sofrem alterações controladas na geometria ao longo do tempo em
resposta a estímulos específicos. Como resultado de sua natureza dinâmica, eles se mostram
promissores em imitar a reorganização controlada dos tecidos em desenvolvimento e cura, ao mesmo
tempo em que se sincronizam com o ambiente para uma melhor integração.
“Muitos tecidos do corpo humano sofrem mudanças dinâmicas de forma durante o desenvolvimento e a
cura”, disse o principal autor do estudo, Eben Alsberg, professor de engenharia biomédica. “Os materiais
4D podem ser valiosos em estratégias de engenharia de tecidos, pois podem induzir ou imitar
parcialmente essas mudanças geométricas para melhorar a formação de tecidos funcionais com
arquiteturas complexas”.
Tradicionalmente, as técnicas de engenharia de tecidos envolveram estruturas estáveis construídas a
partir de polímeros. Imagine um andaime construído na forma de uma orelha e semeado com células
capazes de produzir cartilagem e tecido da pele, eventualmente tornando-se um ouvido transplantável.
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Embora isso seja uma maravilha médica em si, essa estratégia tem suas limitações devido à natureza
estática dessas estruturas artificiais.
“A maioria dos tecidos convencionais de engenharia 3D mantém uma forma definida durante a sua
formação e pode não ser capaz de interagir ativamente em coordenação com as mudanças que ocorrem
em torno dos tecidos em desenvolvimento ou cura”, escreveram os autores em seu artigo. “A este
respeito, a capacidade de induzir mudanças geométricas 4D definidas em materiais compatíveis pode
dotar os tecidos projetados com a capacidade de mudar dinamicamente sua forma em conjunto com as
dos tecidos vizinhos”.
Os materiais 4D têm sido um alvo para bioengenheiros há algum tempo, no entanto, a maioria não é
biodegradável ou completamente compatível com as células. Mas é aí que o estudo atual difere.
Em seu artigo publicado recentemente na Advanced Functional Materials, a equipe relata uma nova
plataforma de biomaterial 4D “dotada da capacidade de sofrer mudanças geométricas personalizadas ao
longo do tempo, permitindo simultaneamente a incorporação de altas densidades de células com
viabilidade e funcionalidade mantidas”.
O novo material inovador pode mudar sua forma em resposta à exposição à água. Além disso, é
compatível com a carga celular e é biodegradável, tornando-se um excelente candidato para avançar a
engenharia de tecidos.
O hidrogel é composto por padrões altamente regulados de dois polímeros reticulados (alginato oxidado
e metacrilaminado (OMA) e gelatina methacrílica (GelMA)), em que as diferenças nas “taxas de
inchação” dos dois materiais impulsionam mudanças estruturais controladas. Os pesquisadores também
descobriram que quanto maior a concentração de polímeros e a reticulação, menos e mais lentamente
um determinado hidrogel absorverá água para induzir uma mudança de forma.
“Alcançamos mudanças morfológicas na estrutura de hidrogel, aderindo dois materiais que incham em
taxas diferentes e / ou em diferentes graus sob condições de cultura celular”, disse Alsberg. “Neste caso,
o alginato e a gelatina foram methacriados para permitir a photocrosslinking, e o alginato foi oxidado em
graus variados para regular seu inchaço e degradabilidade”.
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Os diferentes hidrogéis também podem ser colocados em camadas um sobre o outro como uma pilha de
papel, e as diferenças em sua capacidade de absorver água é o que resulta na dobra de hidrogel e
torção em formas “C”. Essas formas tubulares se assemelham a estruturas como vasos sanguíneos e
outros órgãos tubulares, que também abrem portas para o desenvolvimento de modelos de tecidos
artificiais para triagem de drogas.
O hidrogel foi então incorporado com células-tronco da medula óssea em densidade muito alta. “Ambas
os hidrogéis de polímero suportam o encapsulamento de células a uma concentração de pelo menos
100 milhões de células / mL e cultura em meios de crescimento ou diferenciação com alta viabilidade”,
acrescentou Yu Bin Lee, pesquisador de pós-doutorado em engenharia biomédica e primeiro autor do
artigo.
Esta é a maior densidade de células já registradas para materiais 4D e foi sustentada por um período
significativo de tempo, demonstrando como o hidrogel carregado de células e mudança de forma poderia
ser induzido a se tornarem tecidos semelhantes a ossos e cartilagens.
“Usando nossos hidrogéis bicamadas, não só podemos controlar a quantidade de flexão que o material
sofre e sua progressão temporal, mas como os hidrogéis podem suportar altas densidades celulares,
eles imitam mais de perto quantos tecidos se formam ou se curam naturalmente”, disse Lee. “Este
sistema é promissor para a engenharia de tecidos, mas também pode ser usado para estudar os
processos biológicos envolvidos no desenvolvimento inicial.”
Referência: Yu Bin Lee, et al., Indução de transformações geométricas espatitemporais esdimensional
em tecidos de alta densidade de células através de hidrogéis de mudança de forma, materiais funcionais
avançados (2021). DOI: 10.1002/adfm.202010104
Algumas citações e conteúdo adaptados do comunicado de imprensa escrito por Sharon Parmet da UIC
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010104
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/uoia-ns4022421.php
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