Biografia impressa em 3D/4D

19 de julho de 2023

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por Jornal Internacional de Fabricação Extrema

A piezoeletricidade tem sido bem reconhecida como o fator chave na regeneração óssea. No entanto, os atuais andaimes fabricados aditivamente concentram-se principalmente na reconstrução da estrutura topológica biônica e do microambiente mecânico, enquanto o microambiente elétrico crucial (EM) na regeneração óssea é negligenciado.

A pesquisa, publicada no International Journal of Extreme Manufacturing, mostra o enorme potencial da impressão 3D/4D de estruturas biopiezoelétricas para a engenharia de tecido ósseo de próxima geração.

Existe uma lacuna significativa entre as capacidades das atuais técnicas de impressão 3D/4D e os requisitos de aplicação clínica dos andaimes biopiezoelétricos. Seu desenvolvimento requer um esforço conjunto de estudos multidisciplinares, incluindo ciência dos materiais, engenharia mecânica e bioengenharia. A sua adoção generalizada também deverá inspirar-se em algumas tecnologias de ponta, como a produção inteligente, a medicina biónica e a aprendizagem automática.

"Em princípio, isso abre o projeto e a fabricação de uma estrutura piezoelétrica biológica inteligente que promove o reparo ósseo, imitando o microambiente elétrico crucial do tecido", disse Annan Chen, pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Cidade de Hong Kong e primeiro autor do estudo. .

"Essencialmente, oferece um novo esclarecimento em direção a um avanço potencial na construção de andaimes inteligentes para a engenharia de tecido ósseo de próxima geração", disse o Prof. Chunze Yan, professor da Universidade Huazhong de Tecnologia Científica, e o Prof. a Universidade da Cidade de Hong Kong.

Essa piezoeletricidade foi demonstrada em ossos humanos, que geram cargas positivas e negativas quando submetidos a compressão ou tensão. Por exemplo, a tíbia humana pode gerar um potencial piezoelétrico de aproximadamente 300 μV durante a caminhada. Portanto, os materiais piezoelétricos apresentam vantagens únicas na simulação do EM dos tecidos ósseos, o que pode promover significativamente o metabolismo das células e a formação de novos ossos.

As cargas superficiais de materiais piezoelétricos podem atrair íons para promover a adesão celular através da interação de íons ou cargas, bem como ativar a expressão do fator de crescimento para melhorar a proliferação celular e a diferenciação osteogênica.

Os andaimes biopiezoelétricos fabricados aditivamente podem reconstruir o EM do tecido desejado através de uma estimulação ultrassônica não invasiva. Este comportamento de mudança de funcionalidade dependente do tempo das estruturas 3D quando expostas a estímulos externos também é definido como impressão quadridimensional (4D). Esses novos andaimes biopiezoelétricos de mudança de funcionalidade 4D podem fornecer um microambiente eletrofisiológico programável dependente do tempo em resposta a estímulos externos para regeneração de tecidos.

Chen começou a fazer experiências com alguns materiais piezoelétricos biológicos sem chumbo que foram descobertos anos atrás, mas amplamente ignorados. Ele se concentrou na impressão 3D/4D interligada de material-topografia-biofuncionalidade de materiais biopiezoelétricos para aplicações biológicas avançadas.

Para espanto dos cientistas, os materiais biopiezoelétricos apresentaram excelente processabilidade e biocompatibilidade. Além do mais, eles eram induzíveis por multicelulares. “Descobrimos que o seu microambiente elétrico pode induzir a diferenciação das células ósseas, promover o recrutamento de células vasculares e a reparação das células nervosas”, disse Chen. Isso mostra um grande potencial para aplicações clínicas.