Como tornar os hidrogéis mais injetáveis
Materiais semelhantes a gel que podem ser injetados no corpo tĂŞm grande potencial para curar tecidos feridos ou fabricar tecidos inteiramente novos. Muitos pesquisadores estĂŁo trabalhando para desenvolver esses hidrogĂ©is para uso biomĂ©dico, mas atĂ© agora poucos chegaram Ă clĂnica.
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 clĂnica”, diz Ellen Roche, professora associada de engenharia mecânica, membro do Instituto de Engenharia e CiĂŞncia MĂ©dica do MIT e autora do artigo. “De forma mais ampla, Ă© um bom exemplo de como pegar dados de laboratĂłrio e sintetizá-los em algo utilizável que pode fornecer diretrizes preditivas que podem ser aplicadas a coisas alĂ©m desses hidrogĂ©is”.
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 sĂŁo densamente compactados, eles formam um material semelhante a um gel conhecido como matriz granular. Esses materiais podem atuar como sĂłlidos ou lĂquidos, dependendo das condições, o que os torna bons candidatos para aplicações como tecidos de engenharia de bioimpressĂŁo 3D. Uma vez injetados ou implantados no corpo, eles podem liberar drogas ou ajudar a regenerar o tecido lesionado.
“Esses materiais tĂŞm muita flexibilidade e capacidade de personalização, por isso há muita empolgação em usá-los para aplicações biomĂ©dicas”, diz Verheyen.
Enquanto trabalhava no laboratĂłrio de Lewis, Verheyen, que Ă© 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 difĂcil que exigiu muita experimentação de tentativa e erro, alterando diferentes caracterĂsticas dos gĂ©is na esperança de otimizar sua estrutura e comportamento mecânico para injetabilidade.
“Isso estimulou o esforço de pegar os dados empĂricos, transformá-los em algo que uma máquina pudesse ler e trabalhar e, em seguida, pedir para construir um mapa preditivo que poderĂamos interrogar para nos ajudar a entender o que estava acontecendo e como ir para o prĂłximo 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 sĂŁo afetadas pelo material de partida dos blocos e como eles sĂŁo montados. Na segunda etapa, os bioblocos sĂŁo compactados para formar estruturas chamadas “hidrogĂ©is 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 inĂcio ao fim, os pesquisadores podem usar seu modelo para prever a melhor maneira de criar um material com as caracterĂsticas necessárias para uma aplicação especĂfica, 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 tivĂ©ssemos propriedades de injeção confiáveis ​​e previsĂveis, porque isso era algo com o qual realmente lutávamos no laboratĂłrio – fazer com que esses materiais fluĂssem adequadamente”, diz Verheyen.
Ele e outros no laboratĂłrio da Roche agora planejam usar essa abordagem de modelagem para tentar desenvolver materiais que possam ser usados ​​para aplicações mĂ©dicas, como reparar defeitos cardĂacos 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.
Com informações de Science Daily.