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Esta ilustração destaca como dois hidrogéis (mostrados em azul) podem ser ligados de maneiras diferentes por filmes finos de quitosana (mostrados em laranja). Os laços que se formam são extraordinariamente fortes e podem resistir a altas tensões. Crédito: Peter Allen, Ryan Allen e James C. Weaver.
Uma nova técnica para a ligação rápida e eficiente de hidrogéis oferece o potencial de impulsionar significativamente o desenvolvimento de novos biomateriais, atendendo a uma ampla gama de demandas clínicas insatisfeitas.
Os hidrogéis estão se tornando cada vez mais prevalentes em vários campos biomédicos devido à sua adaptabilidade. Esses biomateriais, constituídos por redes de moléculas inchadas com água, podem ser customizados para replicar as características mecânicas e químicas de diferentes órgãos e tecidos. Isto permite-lhes interagir com as superfícies internas e externas do corpo sem danificar até mesmo as áreas mais delicadas da anatomia humana.
Os hidrogéis já são utilizados na prática clínica para a administração terapêutica de medicamentos no combate a patógenos; como lentes intraoculares e de contato e próteses de córnea em oftalmologia; cimento ósseo, curativos para feridas, bandagens de coagulação sanguínea e estruturas 3D em engenharia e regeneração de tecidos.
No entanto, a ligação rápida e forte de polímeros de hidrogel uns aos outros continua sendo uma necessidade não atendida, já que os métodos tradicionais geralmente resultam em adesão mais fraca após tempos de adesão mais longos do que o desejado e dependem de procedimentos complexos. Alcançar a rápida adesão de polímeros poderia permitir inúmeras novas aplicações, incluindo, por exemplo, hidrogéis cuja rigidez poderia ser ajustada para melhor se adaptar a tecidos específicos, encapsulamento sob demanda de eletrônicos flexíveis para diagnósticos médicos ou a criação de envoltórios de tecido autoadesivos para partes do corpo difíceis de enfaixar.
Agora, cientistas do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard e da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard criaram um método simples e versátil para unir de forma instantânea e eficaz camadas feitas do mesmo ou de diferentes tipos de hidrogéis e outros materiais poliméricos, usando uma fina película de quitosana: um material fibroso à base de açúcar derivado dos esqueletos externos processados de mariscos. Eles aplicaram com sucesso sua nova abordagem a vários problemas médicos não resolvidos, incluindo o resfriamento protetor local de tecidos, vedação de lesões vasculares e prevenção de “aderências cirúrgicas” indesejadas de superfícies internas do corpo que não deveriam aderir umas às outras. As descobertas são publicadas no Anais da Academia Nacional de Ciências.
“Os filmes de quitosana, com sua capacidade de montar, ajustar e proteger com eficácia hidrogéis no corpo e além, abrem inúmeras novas oportunidades para criar dispositivos para medicina regenerativa e cuidados cirúrgicos”, disse o autor sênior e membro fundador do corpo docente do Wyss Institute, David Mooney. , Ph.D. “A velocidade, facilidade e eficácia com que podem ser aplicados tornam-nos ferramentas e componentes altamente versáteis para vivoprocessos de montagem em intervalos de tempo muitas vezes curtos durante cirurgias, e a simples fabricação de estruturas complexas de biomateriais em instalações de fabricação.” Mooney também é Professor de Bioengenharia da Família Robert P. Pinkas no SEAS.
Projetando um novo vínculo
Nos últimos anos, a equipe de Mooney no Wyss Institute e no SEAS desenvolveu “Adesivos Resistentes”, uma coleção de abordagens de medicina regenerativa que utilizam hidrogéis extensíveis para facilitar a cicatrização de feridas e a regeneração de tecidos, aderindo fortemente às superfícies úmidas dos tecidos e adaptando-se às propriedades mecânicas dos tecidos. “Adesivos resistentes e hidrogéis não adesivos formulados com precisão oferecem a nós e a outros pesquisadores novas oportunidades para melhorar o atendimento ao paciente. Mas para levar suas funcionalidades um ou até vários passos adiante, queríamos ser capazes de combinar dois ou mais hidrogéis em montagens mais complexas, e fazer isso de forma rápida, segura e em um processo simples”, disse o co-primeiro autor e ex- O associado de pesquisa da Wyss, Benjamin Freedman, Ph.D., que liderou vários desenvolvimentos de adesivos resistentes com Mooney. “Os métodos existentes para unir instantaneamente hidrogéis ou elastômeros tinham desvantagens marcantes porque dependiam de colas tóxicas, da funcionalização química de suas superfícies ou de outros procedimentos complexos.”
Através de uma abordagem de triagem de biomateriais, a equipe identificou filmes-ponte totalmente feitos de quitosana. A quitosana é um polímero açucarado que pode ser facilmente produzido a partir das cascas de quitina dos mariscos e já encontrou seu caminho para diversas aplicações comerciais. Por exemplo, é atualmente utilizado para tratar sementes e como biopesticida na agricultura, para prevenir a deterioração na produção de vinho, em revestimentos de tintas autocurativos e no tratamento de feridas médicas.
A equipe descobriu que os filmes de quitosana alcançam uma ligação rápida e forte de hidrogéis por meio de interações químicas e físicas diferentes daquelas envolvidas nos métodos tradicionais de ligação de hidrogel. Em vez de criar novas ligações químicas baseadas no compartilhamento de elétrons entre átomos individuais (ligações covalentes), induzidas por uma pequena mudança no pH, os filamentos de açúcar da quitosana absorvem rapidamente a água que reside entre as camadas de hidrogel e se enredam com as bases poliméricas dos hidrogéis, formando múltiplos títulos através da interações eletrostáticas e ligações de hidrogênio (ligações não covalentes). Isto resulta em forças adesivas entre hidrogéis que excedem significativamente aquelas criadas através de abordagens tradicionais de ligação de hidrogel.
Primeiras aplicações
Para demonstrar a amplitude do potencial do seu novo método, os investigadores concentraram-se em desafios médicos muito diferentes. Eles mostraram que os adesivos resistentes modificados com filmes de quitosana agora podem ser facilmente enrolados em formas cilíndricas, como um dedo machucado, como bandagens autoadesivas para proporcionar melhor tratamento de feridas. Devido ao alto teor de água dos hidrogéis ligados à quitosana, sua aplicação também permitiu o resfriamento local da pele humana subjacente, o que no futuro poderá levar a tratamentos alternativos para queimaduras.
Os pesquisadores também envolveram hidrogéis (géis resistentes) cujas superfícies foram modificadas com finas películas de quitosana perfeitamente ao redor do intestino, tendão e tecido nervoso periférico, sem se ligarem aos próprios tecidos. “Esta abordagem oferece a possibilidade de isolar eficazmente os tecidos uns dos outros durante as cirurgias, que de outra forma podem formar ‘aderências fibróticas’ com consequências por vezes devastadoras. A sua prevenção é uma necessidade clínica não satisfeita que as tecnologias comerciais ainda não conseguem resolver de forma adequada”, explicou Freedman.
Em outra aplicação, eles colocaram uma fina película de quitosana em um gel resistente que já havia sido colocado na aorta de um porco ferido. ex-vivo como selante de feridas para aumentar a resistência geral da bandagem, que foi exposta às forças mecânicas cíclicas do sangue pulsando através do vaso.
“As inúmeras possibilidades emergentes deste estudo do grupo de Dave Mooney acrescentam uma nova dimensão à engenharia de dispositivos biomédicos de hidrogel, o que poderia levar a soluções elegantes para problemas urgentes não resolvidos na medicina regenerativa e cirúrgica, dos quais muitos pacientes poderiam se beneficiar”, disse Wyss Founding Diretor Donald Ingber, MD, Ph.D., que também é o Judah Folkman Professor de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children’s Hospital, e no Hansjörg Wyss Professor de Engenharia Bioinspirada no SEAS.
Referência: “Adesão resistente instantânea de redes de polímeros” por Benjamin R. Freedman, Juan A. Cintron Cruz, Phoebe Kwon, Matthew Lee, Haley M. Jeffers, Daniel Kent, Kyle C. Wu, James C. Weaver e David J. Mooney , 20 de fevereiro de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2304643121
Os autores adicionais do estudo são o co-autor Juan Cintron Cruz, Mathew Lee e James Weaver do Wyss Institute e SEAS; Phoebe Kwon, Haley Jeffers e Daniel Kent do SEAS; e Kyle Wu, do Beth Israel Deaconess Medical Center, em Boston. O estudo foi apoiado pelo Wyss Institute da Universidade de Harvard, o Instituto Nacional de Saúdedo Instituto Nacional sobre Envelhecimento (sob o prêmio # K99/R00AG065495) e a iniciativa Harvard GSAS Research Scholar.
