Impressoras a Laser de Enxertos Ósseos Podem Transformar a Cicatrização Óssea

Uma equipe de engenheiros da ETH Zurich revelou uma forma mais eficiente e prática de criar enxertos ósseos. Sua abordagem utiliza novos materiais e impressão a laser para permitir uma recuperação mais rápida com menos riscos. Aqui está o que você precisa saber.

Por Que as Fraturas Ósseas Estão Aumentando

Você provavelmente conhece alguém que já quebrou um osso em sua vida. Embora essas experiências possam variar desde acidentes na infância até traumas graves, todos requerem algum tipo de atenção médica para garantir que o osso seja curado corretamente.

Infelizmente, o número de pessoas que sofrem fraturas ósseas aumentou constantemente em todo o mundo. Esse aumento reflete a demografia de baby boomers que envelhecem. Relatórios da International Osteoporosis Foundation (IOF) mostram que mais de 37 milhões de fraturas frágeis foram registradas no ano passado apenas entre os idosos, e essa tendência deve continuar ao lado da população que envelhece.

Como os Ossos se Curam Naturalmente

O corpo humano é incrível, e pode curar fraturas e rupturas leves por conta própria. Como parte dessa capacidade, ele primeiro implantará uma variedade de células de tecido mole na área danificada. Essas células temporárias atuam como uma estrutura, permitindo que o novo crescimento ósseo tome forma e eventualmente endureça.

Parte desse sucesso se deve à mistura única de passagens e espaços microscópicos encontrados em todo o osso. Relatórios mostram que um pequeno fragmento de osso menor que uma moeda pode ter mais de 54 quilômetros de túneis microscópicos atravessando-o.

Quando as Fraturas Ósseas Requerem Intervenção Cirúrgica

Existem cenários em que a fratura é tão grave que o corpo humano não consegue curar a lesão sem assistência adicional de profissionais de saúde. Especificamente, fraturas compostas graves requerem um ambiente mantido no lugar por meio de pinos e implantes metálicos.

Além disso, a remoção de tumores pode deixar uma parte do osso faltando. Os médicos devem preencher esse segmento de osso ausente para definir corretamente o osso. Em alguns casos, um enxerto é feito usando osso do próprio paciente.

Autoenxertos

Os autoenxertos são a forma mais popular como os profissionais de saúde lidam com essa situação. Os autoenxertos podem vir em muitas formas, com a mais popular utilizando osso do paciente, opções de cerâmica ou metal.

Problemas com Autoenxertos

Os autoenxertos podem melhorar o processo de cura, mas não estão sem seus próprios problemas. Por um lado, o processo requer uma cirurgia adicional para garantir que o tecido ósseo seja usado para criar o enxerto. Essa etapa adiciona custos e riscos ao cenário, além de atrasos de tempo e a necessidade de profissionais adicionais.

A Quebra de Enxertos Ósseos Impressos a Laser da ETH Zurich

O artigo científico “Um PVA Macrotil Solúvel em Água Permite a Microfabricação de Estruturas de Hidrogel Interativas com Células a 400 mm s−1”¹ publicado em Advanced Materials destaca uma abordagem completamente nova que tem o potencial de revolucionar a saúde em frente.

Microfabricação 2PP

Para realizar a tarefa de criar enxertos mais estáveis e melhores, a equipe buscou um método conhecido como polimerização de dois fótons (2PP). Originalmente desenvolvido como uma técnica de escrita direta a laser usada na engenharia de tecidos e desenvolvimento de medicamentos, ele depende de pulsos de laser de femtossegundos.

Esses lasers de alta intensidade são usados para endurecer materiais fotosensíveis especiais. A vantagem dessa abordagem é que permite que os engenheiros desenvolvam arquiteturas 3D de alta resolução em escala de sub-micrômetro. É essa última capacidade que chamou a atenção do Professor de Engenharia de Biomateriais da ETH Zurich, Xiao-Hua Qin, e sua equipe.

Novo Hidrogel Era Necessário

Imitar a matriz extracelular (ECM) de um ser humano não é uma tarefa fácil, pois requer um nível sem precedentes de complexidade que as estratégias 2PP tradicionais careciam. Eles notaram que o uso de um laser de dupla fóton permite que a reação fotoquímica seja focada exatamente em uma área, fornecendo muito mais controle em comparação com as abordagens de laser único do passado.

No entanto, o gel não era suficientemente rígido para manter a forma ou reativo o suficiente para permanecer no lugar. Para resolver esses problemas, a equipe se concentrou em criar um novo hidrogel.

Notavelmente, a forma atual de fabricação 2PP usa hidrogel contendo (met)acrilados de proteínas. Crosslinkers solúveis em água comerciais, como ditiotreitol, são comumente usados. Essas proteínas carecem dos mecanismos de ligação cruzada fortes necessários para apoiar o crescimento ósseo.

Source – ETH Zurich

Esse material não pode suportar o nível de complexidade necessário para o osso humano, e quando tentaram usar esse material, eles registraram um alto número de defeitos estruturais. Tradicionalmente, adicionar mais concentrações de polímero seria a opção, mas a equipe decidiu contra essa movimentação.

PVA Tiol Crosslinker (PVASH)

Os engenheiros decidiram que era melhor desenvolver um hidrogel completamente novo para alcançar seus objetivos. O hidrogel de polivinil álcool macromolecular tiol crosslinker (PVASH) solúvel em água usa moléculas especializadas para permanecer estável e não intrusivo.

Especificamente, a equipe misturou PVASH com norborneno funcionalizado PVA (nPVA) como a primeira parte do procedimento. A próxima etapa envolveu adicionar fotoiniciadores para garantir que o processo de laser funcionasse corretamente.

A principal mudança nessa abordagem é que ela introduz vários grupos reativos. Essa estratégia faz com que o gel endureça mais rápido e mais completamente quando a radiação laser atinge. Ela também permitiu que os desenvolvedores utilizassem uma molécula para ligar a cadeia de polímero e a outra para garantir a reação de luz.

Impresso a Laser

O uso de impressão a laser é uma grande vantagem que permite que os engenheiros atinjam estruturas ósseas naturais que frequentemente têm detalhes tão pequenos quanto 500 nanômetros de largura. Especificamente, a equipe integrou um laser de 20 mW para a tarefa.

Essa capacidade microscópica garante que as estruturas ósseas tenham cavidades e vias naturais. Além disso, esses designs podem ser pré-programados e entregues a uma velocidade impressionante de 400 milímetros por segundo. Essa taxa representa um novo recorde mundial, além de demonstrar a importância desse avanço em termos de aceleração da recuperação do paciente.

Micro-Estruturas

O material parece ser capaz de replicar as complexidades do osso humano ao ponto de as células começarem o processo de cura tradicional sem demora. Atenção, as milhas de túneis e passagens microscópicos fornecem a quantidade certa de adesão para atrair e apoiar o crescimento de células saudáveis.

Testes de Laboratório de Enxertos Ósseos Impressos a Laser

Os cientistas realizaram vários testes de laboratório para ver se sua teoria poderia se sustentar em condições do mundo real. Notavelmente, os engenheiros ficaram deliciados em ver que os estudos em tubos de ensaio mostraram um crescimento celular rápido.

Especificamente, o hidrogel foi impresso na formação personalizada, e dentro de dias, o corpo começou a criar colágeno, que é uma das etapas mais importantes no crescimento ósseo. Os engenheiros também gastaram algum tempo avaliando seu hidrogel e as moléculas de crosslinking tiol-eno. Eles notaram que o desempenho excedeu as expectativas, criando uma reparação forte e natural do tecido danificado em um tempo mais curto do que outros métodos.

Resultados dos Testes de Enxertos Ósseos Impressos a Laser

Os resultados dos testes destacam a importância desse trabalho para o setor de saúde. Os cientistas conseguiram registrar uma melhoria massiva em todos os aspectos do processo. Desde a moldagem do enxerto, às células se movendo, e finalmente a estrutura de suporte biodegradável, o trabalho dos pesquisadores provou ser preciso, criando células ósseas curadas que são exatamente como as criadas naturalmente.

Vantagens dos Enxertos Ósseos Impressos a Laser

Existem muitos benefícios que esse novo hidrogel traz à mesa. Por um lado, oferece mais flexibilidade em termos de estrutura e colocação. Os hidrogéis tradicionais não têm moldabilidade. A adição de moléculas de ligação adicionais cria muito mais estabilidade, permitindo a moldagem direta com base nas necessidades pessoais do indivíduo.

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Fidelidade

Outra grande vantagem que não pode ser ignorada é a fidelidade adicionada que essa abordagem fornece. Os novos hidrogéis baseados em PVASH fornecem aos engenheiros mais opções em termos de design e complexidade da estrutura em nível microscópico.

Melhor Resposta do Paciente

Embora os cientistas tenham realizado apenas ensaios de laboratório, eles notaram que o processo de cura usando a nova estratégia mostrou muito menos inchaço. O inchaço reduzido ocorre porque o hidrogel é biocompatível, o que é mais fácil para as células do corpo aceitarem em comparação com opções de metal ou cerâmica.

Aplicações e Cronograma do Mundo Real:

A aplicação no mundo real para essa descoberta pode se estender por várias indústrias. Por um lado, seu uso óbvio está no setor de saúde, onde poderia ajudar a reduzir os custos e o tempo de recuperação de fraturas ósseas para os pacientes.

Próteses

Essa tecnologia poderia eventualmente ser usada para criar próteses mais realistas que se pareçam e sejam como partes do corpo real, em vez de substitutos. A tecnologia poderia estabelecer as bases e permitir o crescimento celular para fazer o resto em um cenário ideal.

Robótica

O mercado de robótica também poderia aproveitar essa tecnologia para criar designs biomecânicos mais fortes. Essas unidades poderiam aproveitar uma combinação de células vivas e estrutura, juntamente com dispositivos mecânicos, para criar máquinas mais eficientes e capazes no futuro.

Cronograma

Pode levar pelo menos dez anos para que essa tecnologia esteja madura o suficiente para uso humano. A pesquisa ainda está em sua fase inicial e, apesar de muito sucesso até agora, ainda existem muitos obstáculos científicos e regulamentares que precisarão ser superados antes que essa tecnologia se torne mainstream.

Pesquisadores de Enxertos Ósseos Impressos a Laser

Pesquisadores da ETH Zurich lideraram o estudo de Enxertos Ósseos Impressos a Laser. O artigo lista Xiao-Hua Qin e Ralph Müller como os principais autores. Eles receberam apoio de Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang e Philipp Fisch.

Futuro

O futuro dos enxertos ósseos impressos a laser ainda está para ser determinado. A tecnologia faz sentido e mostrou muito potencial. No entanto, ainda há muito mais testes a serem realizados, incluindo ensaios clínicos.

A próxima etapa será prosseguir com testes em animais. Já, os cientistas anunciaram uma parceria estratégica com AO Research Institute Davos para facilitar essa próxima etapa de desenvolvimento. Dependendo dos resultados desse teste, a pesquisa seguirá em frente para pacientes humanos.

Investindo em Inovação em HealthTech

Existem várias empresas que continuam a impulsionar a inovação no setor HealthTech. Essas empresas demonstraram disposição para procurar soluções fora da caixa para esse problema crítico. Aqui está uma empresa que permanece um pioneiro no mercado e vale a pena conhecer.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical Holdings originou-se como Bacterin International no laboratório da Universidade Estadual de Montana no início dos anos 90. O objetivo do projeto era pesquisar melhores práticas médicas com foco em implantes de medicina regenerativa.

Xtant Medical Holdings rebrandou em 2000 e, em 2006, lançou uma linha de implantes cirúrgicos. Esses produtos ganharam muita atenção, e em 2013, a empresa realizou uma oferta pública inicial de ações (IPO) bem-sucedida. Na mesma época, a empresa começou a adquirir outras empresas de pesquisa de osso regenerativo, como X-spine em 2016.

Em 2020, Xtant mudou sua atenção para a reconstrução da coluna vertebral. Como parte dessa estratégia, continuou a fazer aquisições e formar parcerias estratégicas. Desde então, a empresa expandiu novamente para outras ciências ósseas regenerativas.

Hoje, Xtant é reconhecida como uma das principais empresas de ortobiologia do mundo. A empresa tem vários produtos projetados para melhorar os resultados dos pacientes e continua a investir na criação de opções mais eficientes. Aqueles que buscam uma empresa de medtech confiável devem pesquisar mais sobre as ofertas da Xtant.

Notícias e Desempenho Mais Recentes da Xtant Medical Holdings (XTNT)

Conclusão dos Enxertos Ósseos Impressos a Laser

É fácil entender por que há um forte impulso para encontrar uma solução melhor para pacientes que sofrem de lesões ósseas difíceis, como traumas na coluna vertebral. A população está envelhecendo, e esse tipo de lesão será mais comum no futuro. Portanto, esse trabalho poderia estabelecer as bases para estratégias de cura mais rápidas e confiáveis.

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Referências

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}