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Crédito por Imagem: sebra/.com

Tratamento eficaz e reparação da cartilagem danificada ainda representam um desafio significativo para a medicina de hoje. Pesquisadores da Duke University nos EUA criaram recentemente um novo material composto à base de hidrogel que combina com a resistência e durabilidade do tecido natural da cartilagem. O novo desenvolvimento promete superar as limitações das actuais técnicas de reparação da cartilagem.

Cartilagem articular é um tecido altamente especializado que desempenha um papel crucial no corpo humano. A cartilagem saudável proporciona um movimento de baixa fricção e assegura uma distribuição eficiente da carga e do peso nas articulações esqueléticas.

Cartilagem – Uma maravilha natural

Cartilagem natural consiste em células condrócitas escassamente distribuídas, incorporadas na matriz extracelular da cartilagem. É composta principalmente de água (60-85 wt%), 15-22 wt% colágeno tipo II (um dos tecidos conjuntivos primários do corpo), e 4-7 wt% glicosaminoglicanos (moléculas de polissacarídeo linear longo).

Estes três componentes entrelaçados fornecem as propriedades únicas do tecido da cartilagem. Com uma espessura média de 2,2 mm, a cartilagem penetra parcialmente o tecido ósseo poroso subjacente, cobrindo a superfície óssea e assegurando um movimento de baixa fricção na articulação. Ao mesmo tempo, a cartilagem é altamente deformável, o que facilita a distribuição eficaz da carga, aumentando a área de contacto entre as superfícies opostas ao longo de toda a articulação.

Traumatismo ósseo e articular têm um impacto significativo na sociedade moderna

O tecido da cartilagem é desprovido de vasos sanguíneos, resultando num fornecimento deficiente de nutrientes e na lenta extracção de resíduos (dependente da difusão através da matriz da cartilagem) e na redução da actividade metabólica dos condrócitos. Isto limita a auto-regeneração e a reparação intrínseca.

Além do desgaste normal da cartilagem após décadas de uso constante, lesões ósseas e articulares relacionadas com actividades desportivas e acidentes rodoviários contribuem significativamente para a procura de tratamentos e produtos de reparação de cartilagem em todo o mundo, com mais de 600.000 cirurgias de substituição da articulação do joelho realizadas anualmente nos EUA e um mercado global de reparação de cartilagem avaliado em USD 4.80 bilhões em 2018.

Na atualidade, os tratamentos mais comuns de tecido cartilagíneo danificado proporcionam apenas alívio sintomático a curto prazo (pela remoção de pedaços soltos de cartilagem danificada ou pelo transplante de cartilagem doadora) ou requerem a substituição da articulação danificada por uma artificial. Todos estes métodos têm tipicamente altas taxas de falha (25-50% após 10 anos) e requerem longos tempos de reabilitação (12 meses ou mais).

As limitações das actuais estratégias de reparação e regeneração da cartilagem têm desencadeado intensos esforços biomédicos de R&D tanto de grupos de investigação académica como industrial com o objectivo de desenvolver materiais de substituição com propriedades biomecânicas semelhantes às da cartilagem natural.

Materiais de ponta podem ajudar a reparar a cartilagem danificada

Materiais de engenharia bio-compatíveis e não degradáveis, tais como ligas de cobalto-cromo, cerâmica e polietileno de ultra-alto peso molecular, são atualmente utilizados como cartilagem ou substituição de juntas inteiras. Contudo, estes materiais possuem propriedades mecânicas significativamente diferentes das da cartilagem natural e muitas vezes têm efeitos adversos na estrutura óssea circundante.

Desde os anos 70, os hidrogéis (redes altamente hidratadas de polímeros hidrofílicos reticulados) têm atraído a atenção dos cientistas como materiais substitutos da cartilagem devido à sua biocompatibilidade, elevado teor de água e baixa permeabilidade, resultando numa excepcional capacidade de lubrificação e baixa adsorção proteica.

Os principais inconvenientes desses materiais são a falta de resistência à fratura e módulo elástico insuficiente que é necessário para suportar a carga esperada na articulação.

Um grupo de pesquisa na Duke University, liderado pelos professores Benjamin Wiley e Ken Gall, criou um novo material composto à base de hidrogel que imita as propriedades físicas e o comportamento do tecido natural da cartilagem.

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Soft e Forte como Cartilagem Natural

Cartilagem natural inspira a estrutura do novo composto. O hidrogel consiste de uma rede de nanofibras de celulose bacteriana (BC) incorporada numa rede dupla de hidrogel feita de poli(álcool vinílico) (PVA) reticulado e sal sódico de poli(2-acrilamido-2-metil-1-propanossulfónico) (PAMPS).

As três redes interpenetrais trabalham em conjunto para fornecer as propriedades biomecânicas do material. A rede BC contribui para a resistência à tração (similar ao colágeno na cartilagem), enquanto as redes PVA e PAMPS garantem a retenção da água necessária (59 wt%) e proporcionam dissipação de energia viscoelástica, força de restauração elástica (análoga à rede de glicosaminoglicanos na cartilagem) e distribuição uniforme de tensão em toda a rede BC.

Hidrogel composto com propriedades biomecânicas superiores

Descrevendo suas pesquisas na revista Advanced Functional Materials, Prof. Wiley e colegas de trabalho afirmam que o novo hidrogel biomimético é o primeiro material projetado que combina a resistência e o módulo da cartilagem natural tanto em tensão quanto em compressão.

Testes mecânicos demonstraram que, sob compressão, o novo hidrogel composto tem um módulo elástico semelhante ao da cartilagem e exibe a mesma resposta mecânica dependente do tempo. Sob a tensão compressiva de 1,43 MPa, o novo material exibiu uma deformação inferior a 5%. Para contextualizar isto, a tensão compressiva na articulação do joelho de um humano de 90 quilos que caminha é aproximadamente 2,5 MPa.

Alternativa Durável aos Materiais Tradicionais de Substituição da Cartilagem

Ao mesmo tempo, o coeficiente de atrito do material é 45% menor que o da cartilagem e tem 4.4 vezes mais resistente ao desgaste do que os hidrogéis apenas PVA (actualmente utilizados como substitutos de cartilagem), apresentando uma resistência à fadiga após 100.000 ciclos de carga equivalente à da cartilagem natural.

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Os três constituintes do composto hidrogel foram previamente demonstrados como biocompatíveis e os testes iniciais de compatibilidade sugerem que o material não é tóxico para as células cultivadas em laboratório.

Passos para Aplicações no Mundo Real

Como próximo passo, a equipa de investigação pretende desenhar um implante adequado para testes in vivo em animais. Eles prevêem que dentro de três anos, o novo material de substituição de cartilagem será utilizado em terapias comerciais como uma melhor alternativa aos tratamentos tradicionais de reparação de cartilagem ou cirurgias de substituição do joelho.

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Referências e Leitura Adicional

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