Como tornar os hidrogéis mais injetáveis

Para ajudar a orientar o desenvolvimento de tais materiais, que são feitos de blocos de construção em microescala semelhantes a LEGOs moles, os pesquisadores do MIT e da Universidade de Harvard criaram um conjunto de modelos computacionais para prever a estrutura do material, propriedades mecânicas e resultados de desempenho funcional. Os pesquisadores esperam que sua nova estrutura facilite o design de materiais que podem ser injetados para diferentes tipos de aplicações, que até agora tem sido principalmente um processo de tentativa e erro.

“É realmente emocionante do ponto de vista material e do ponto de vista da aplicação clínica”, diz Ellen Roche, professora associada de engenharia mecânica, membro do Instituto de Engenharia e Ciência Médica do MIT e autora do artigo. “De forma mais ampla, é um bom exemplo de como pegar dados de laboratório e sintetizá-los em algo utilizável que pode fornecer diretrizes preditivas que podem ser aplicadas a coisas além desses hidrogéis”.

Jennifer Lewis, professora Hansjörg Wyss de engenharia biologicamente inspirada em Harvard, é a autora sênior do estudo, publicado hoje na revista Importam. Connor Verheyen, aluno de pós-graduação do Programa Harvard-MIT em Ciências e Tecnologia da Saúde, é o principal autor do artigo.

modelagem de materiais

Quando os blocos individuais de hidrogel são densamente compactados, eles formam um material semelhante a um gel conhecido como matriz granular. Esses materiais podem atuar como sólidos ou líquidos, dependendo das condições, o que os torna bons candidatos para aplicações como tecidos de engenharia de bioimpressão 3D. Uma vez injetados ou implantados no corpo, eles podem liberar drogas ou ajudar a regenerar o tecido lesionado.

“Esses materiais têm muita flexibilidade e capacidade de personalização, por isso há muita empolgação em usá-los para aplicações biomédicas”, diz Verheyen.

Enquanto trabalhava no laboratório de Lewis, Verheyen, que é co-orientado por Lewis e Roche, começou a tentar descobrir como fazer com que esses materiais fossem injetáveis ​​de forma confiável. Isso acabou sendo uma tarefa difícil que exigiu muita experimentação de tentativa e erro, alterando diferentes características dos géis na esperança de otimizar sua estrutura e comportamento mecânico para injetabilidade.

“Isso estimulou o esforço de pegar os dados empíricos, transformá-los em algo que uma máquina pudesse ler e trabalhar e, em seguida, pedir para construir um mapa preditivo que poderíamos interrogar para nos ajudar a entender o que estava acontecendo e como ir para o próximo passo”, diz.

Para criar sua estrutura de design, os pesquisadores dividiram o processo de montagem em várias etapas. Eles modelaram cada um desses estágios separadamente, usando dados de seus próprios experimentos, que foram feitos em uma variedade de condições diferentes.

Na primeira etapa, o modelo analisou como as propriedades do biobloco são afetadas pelo material de partida dos blocos e como eles são montados. Na segunda etapa, os bioblocos são compactados para formar estruturas chamadas “hidrogéis granulares”. Por meio de sua modelagem, os pesquisadores identificaram vários fatores que influenciam a injetabilidade do gel final, incluindo o tamanho e a rigidez dos bioblocos, a viscosidade do fluido intersticial entre os blocos e as dimensões da agulha e seringa usadas para injetar o gel. .

Melhorar injetabilidade

Agora que modelaram o processo do início ao fim, os pesquisadores podem usar seu modelo para prever a melhor maneira de criar um material com as características necessárias para uma aplicação específica, em vez de passar por um extenso processo de tentativa e erro para cada novo material.

“Nosso objetivo de longo prazo era chegar ao ponto em que tivéssemos propriedades de injeção confiáveis ​​e previsíveis, porque isso era algo com o qual realmente lutávamos no laboratório – fazer com que esses materiais fluíssem adequadamente”, diz Verheyen.

Ele e outros no laboratório da Roche agora planejam usar essa abordagem de modelagem para tentar desenvolver materiais que possam ser usados ​​para aplicações médicas, como reparar defeitos cardíacos ou administrar medicamentos ao trato gastrointestinal.

Os pesquisadores também disponibilizaram seus modelos e os dados usados ​​para gerá-los online para outros laboratórios usarem.

“É tudo de código aberto e, com sorte, reduzirá a frustração com os problemas que você pode ter ao reproduzir algo que aconteceu em outro laboratório, ou mesmo dentro de um laboratório ao transferir conhecimento de uma pessoa para outra”, diz Roche.

A pesquisa foi financiada pelo Vannevar Bush Faculty Fellowship Program, pela National Science Foundation e por uma bolsa do MathWorks Seed Fund.