Uma equipe de pesquisa da Universidade Técnica de Munique (TUM – Technischen Universität München, em alemão) desenvolveu modelos impressos em 3D de válvulas cardíacas artificiais, projetadas para permitir o crescimento de novos tecidos em pacientes a partir das próprias células do corpo.
No corpo humano, quatro válvulas cardíacas asseguram que o sangue seja direcionado na direção correta. Para que isso ocorra, é crucial que as válvulas cardíacas se abram e fechem corretamente. O tecido da válvula cardíaca é construído de forma heterogênea para garantir esta função, o que significa que as válvulas cardíacas têm diferentes propriedades biomecânicas dentro de sua estrutura.
A equipe, liderada por Petra Mela, professora de biomateriais para a aplicação na medicina e implantes na TUM, e pela professora Elena De-Juan Pardo, da Universidade da Austrália Ocidental (UWA – University of Western Australia, em inglês), imitou pela primeira vez esta estrutura heterogênea utilizando um processo de impressão em 3D chamado “Eletroescrita de fusão” (Melt Electrowriting, em inglês). A partir de uma nova plataforma de produção, que permite a combinação em alta precisão de diferentes padrões individuais, a equipe conseguiu otimizar as propriedades mecânicas do modelo. A longo prazo, esta forma de produção, deve resultar em implantes de válvulas cardíacas que crescem com o paciente e representam uma opção terapêutica duradoura e sustentável, especialmente para crianças.
O processo de “Eletroescrita de fusão” é uma forma de produção aditiva relativamente novo que utiliza eletricidade de alta tensão para formar padrões precisos a partir de uma fibra de polímero muito fina. Durante o processo, um polímero é aquecido, derretido e expelido em forma de um jato líquido por meio da impressão.
Durante o processo, é utilizado um campo elétrico de alta tensão, que permite reduzir significativamente o diâmetro do jato de polímero, acelerando o jato e puxando-o em direção a um dispositivo de coleta. Isso cria uma fibra muito fina, normalmente na faixa de cinco a cinquenta mícrons de diâmetro. Além disso, o campo elétrico estabiliza o feixe de polímero. Este é um pré-requisito para a criação de padrões claramente definidos e precisos. O processo de “escrever” esses padrões é feito com a ajuda de uma plataforma de coleção automática e controlada por computador.
A fim de simplificar o processo de programação necessário para produzir estruturas complexas para válvulas cardíacas, os cientistas desenvolveram também um software que torna possível atribuir padrões individuais a diferentes áreas da estrutura de uma válvula cardíaca e podem ser selecionados a partir de uma coleção de padrões disponíveis. Além disso, especificações geométricas tais como comprimento, diâmetro e seção transversal do modelo podem ser ajustadas através de uma interface gráfica do usuário.
Os modelos são compatíveis com células humanas e biodegradáveis
A equipe utilizou um poliéster alifático biodegradável Polycaprolactona (PCL) para a impressão em 3D porque o produto é compatível com células. Os pesquisadores seguem o conceito de que após o implante das válvulas cardíacas PCL, as próprias células do paciente crescerão no modelo, possivelmente formando um novo tecido antes que a estrutura PCL se degrade. O crescimento celular no modelo já foi observado nos estudos iniciais.
O modelo PCL está embutido em um material semelhante à proteína elastina que imita as propriedades da própria elastina do corpo em válvulas cardíacas reais. Também possui microporos que são mais finos que os do modelo PCL para deixar espaço suficiente para as células se assentarem, mas ao mesmo tempo as válvulas também são suficientemente apertadas para garantir o fluxo de sangue.
As válvulas cardíacas impressas em 3D foram testadas em um sistema circulatório artificial que simula o próprio fluxo sanguíneo e a pressão do corpo. Durante os testes, as válvulas cardíacas abriram e fecharam corretamente.
As nanopartículas permitem a visualização por ressonância magnética
O material PCL foi desenvolvido e avaliado pelo professor de ressonância magnética biomédica, Franz Schilling, e a professora de tecnologia de separação seletiva da TUM, Sonja Berensmeier. Ao modificar o PCL com as chamadas nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético, os pesquisadores foram capazes de tornar os modelos visíveis, usando a tecnologia de ressonância magnética (MRI). O material ainda é imprimível e compatível com as células mesmo com esta modificação, o que poderia facilitar o uso desta técnica em clínicas, pois permite que os modelos se tornem visíveis durante a implantação.
“Nosso objetivo é criar válvulas cardíacas artificiais que promovam a formação de novos tecidos no paciente. As crianças em particular poderiam se beneficiar dessa solução, pois as válvulas cardíacas atualmente disponíveis não crescem com o paciente e, portanto, têm que ser substituídas em vários procedimentos ao longo dos anos. Nossas válvulas cardíacas, por outro lado, imitam a complexidade das válvulas cardíacas do próprio corpo e são projetadas para permitir que as células do corpo do paciente se infiltravam no modelo”, explicou Mela.
O próximo passo para o uso clínico é o estudo pré-clínico em animais. A equipe também está trabalhando para melhorar ainda mais a tecnologia e desenvolver novos biomateriais.
