Existe uma classe de materiais que possui a capacidade única de se recuperar de danos mecânicos, térmicos e induzidos por produtos químicos, restaurando suas propriedades originais sem assistência externa. Conhecidas como materiais "autorreparáveis", essas substâncias são uma área promissora de pesquisa no campo biomédico, onde possuem aplicações em tratamento de feridas, dispositivos médicos, administração de medicamentos e muito mais.
Apenas certas substâncias conseguem se autorreparar enquanto permanecem compatíveis com os tecidos humanos e as condições complexas dentro do corpo. Nossa pesquisa mais recente usando a CAS Content CollectionTM revela quais materiais têm o maior potencial para esses avanços biomédicos e quais aplicações já alcançaram o maior progresso.
Como funcionam os materiais autorreparáveis
"Autorreparável" pode se referir a muitos materiais que conseguem se consertar em nível macroscópico ou molecular após serem danificados. Em aplicações biomédicas, os materiais autorreparáveis mais usados incorporam polímeros — ou seja, moléculas grandes ligadas entre si — que são modificados para que possam formar ligações químicas reversíveis. Uma ampla variedade de polímeros, incluindo materiais derivados naturalmente, como a quitosana, e materiais sintéticos, como o PEG, estão sendo pesquisados ativamente em aplicações biomédicas autorreparáveis. Materiais inorgânicos, compostos de coordenação e metais também estão bem representados na literatura atual (veja a Figura 1).
Os polímeros apresentam qualidades como flexibilidade e biocompatibilidade, que são importantes para o uso no corpo humano. Eles também podem ter grupos laterais que podem ser projetados para participar de interações de autorreparação, além de suas outras propriedades. Por exemplo, materiais autorreparáveis geralmente possuem ligações de hidrogênio em sua composição química, que são comuns em proteínas e podem ser facilmente rompidas e reformadas, mesmo à temperatura ambiente.
Como é essa reformação? Considere uma substância semelhante a um gel sendo empurrada através de uma agulha. Se o gel contiver ligações reversíveis e autorreparáveis, essas ligações podem ser temporariamente rompidas devido ao estresse sobre o gel à medida que ele passa pela agulha, fazendo com que ele se torne semelhante a um líquido.
Essas ligações podem então se reformar, restaurando as propriedades do tipo gel da substância no corpo após a injeção.
Aplicações médicas atuais e futuras
Materiais autorreparáveis já são usados em muitos dispositivos implantados, curativos e sistemas de administração de medicamentos. Algumas das pesquisas mais interessantes hoje envolvem hidrogéis, um grande grupo de materiais biocompatíveis à base de água que podem ser projetados para ter propriedades autorreparáveis. Lentes de contato gelatinosas são um exemplo de hidrogel em uso biomédico, mas os pesquisadores estão encontrando usos potenciais ainda maiores para esses materiais:
- Tratamento de feridas: Os hidrogéis podem imitar tecidos humanos com sua maciez e flexibilidade, e podem ser projetados com propriedades antibacterianas, tudo o que auxilia na cicatrização de feridas. Por exemplo, um grupo de pesquisadores desenvolveu um hidrogel que pode ser injetado em leitos de feridas de queimaduras profundas e irregulares. Outros criaram um hidrogel autorreparável, injetável e biocompatível para feridas próximas a partes do corpo que sofrem alongamento frequente, como joelhos e cotovelos.
Notavelmente, polímeros naturais como quitosana e celulose são usados nesses hidrogéis. Esses materiais derivados de plantas oferecem boa estabilidade dentro do corpo e estão amplamente disponíveis. Eles também podem ser quimicamente modificados para ter propriedades autorreparáveis, o que explica por que os polímeros naturais são tão frequentemente citados em publicações sobre hidrogéis (veja a Figura 2).
- Estruturas de suporte tecidual (scaffolding): Hidrogéis autorreparáveis estão se mostrando promissores na medicina regenerativa, particularmente para promover o desenvolvimento de tecidos e órgãos. Ao atuar como estruturas de suporte, esses materiais podem se consertar dentro do corpo mesmo se sofrerem uma lesão, promovendo assim o crescimento e a reparação do tecido.
Por exemplo, pesquisadores desenvolveram um hidrogel de rede polimérica interpenetrante (IPN) mecanicamente compatível usando poliacrilamida (PAAM) e gelatina. O hidrogel de PAAM/gelatina correspondeu ao tecido natural das cordas vocais em propriedades físicas e químicas, funcionando assim como um implante de tecido adesivo artificial para reparo vocal.
Pesquisadores na China também desenvolveram uma estrutura de suporte composta de fibra e hidrogel para geração muscular. A fibra foi produzida por eletrofiação a partir de uma mistura de grafeno, melatonina e um polímero biocompatível, como ácido polilático ou policaprolactona, enquanto um derivado de ácido hialurônico foi usado como matriz de hidrogel.
Os hidrogéis também podem ser usados para a regeneração de tecidos duros, como demonstrou um grupo de pesquisadores. O composto de hidrogel continha fosfato de cálcio formando ligações reversíveis com matriz de dentina tratada com ácido poliacrílico-carboximetil quitosana, seguidas por ligações iônicas e de hidrogênio dinâmicas na matriz. Este estudo mostrou que o hidrogel manteve sua bioatividade e promoveu a regeneração do tecido duro de dentina/osso.
- Administração de medicamentos: Hidrogéis podem ser projetados com ligações cruzadas reversíveis que se rompem sob tensão de cisalhamento ao passar por uma agulha. O gel flui como um líquido durante a injeção e pode se reformar dentro do corpo. Esses materiais também podem ser carregados com medicamentos — em microcápsulas, por exemplo — que podem ser entregues em locais específicos.
Por exemplo, pesquisadores demonstraram que um hidrogel injetável sensível ao pH pode entregar medicamentos contra o câncer em locais específicos do corpo e se decompor após a entrega. Outra equipe utilizou um hidrogel para administrar quimioterapia, com o fármaco sendo ativado por ultrassom após a injeção. Ainda outro hidrogel foi injetado em uma cavidade de ressecção tumoral para realizar eletroterapia direcionada a células cancerígenas residuais pós-cirurgia. O material bifásico permitiu que o eletrodo se adaptasse às bordas da cavidade enquanto gerava campos elétricos de baixa voltagem próximos ao local do tumor.
Principais materiais a observar
Nossa análise de documentos e citações na CAS Content Collection mostra um crescimento constante nas publicações de periódicos sobre materiais autorregeneráveis nos últimos 20 anos. Um aumento recente na proporção de artigos para patentes sugere que o foco ainda está no desenvolvimento inicial, e não na comercialização.
Muitas interações químicas podem ser usadas para conferir propriedades autorregeneráveis a polímeros, incluindo ligações covalentes e não covalentes. Exemplos de interações covalentes incluem as ligações dinâmicas de base de Schiff, amplamente utilizadas em biomateriais e que cresceram significativamente nos últimos cinco anos. Essas ligações baseiam-se em reações entre um nucleófilo e um aldeído ou cetona para formar uma ligação, tipicamente uma imina ou oxima, que é reversível na presença de água. Um exemplo disso é um hidrogel autorregenerável baseado em uma mistura de ácido hialurônico modificado com dialdeído e cistamina.
A ligação de hidrogênio, como mencionado anteriormente, é uma interação não covalente comum, juntamente com interações hidrofóbicas, hospedeiro-hóspede, eletrostáticas, empilhamento π-π e coordenação metal-ligante, notadamente aquelas entre catecóis e íons de ferro(III).
Também estamos observando um aumento significativo no uso de diisocianatos (veja a Figura 3), que são usados na síntese de poliuretanos. Isso sugere que os poliuretanos são uma classe emergente de substâncias em materiais autorregeneráveis. Publicações recentes de patentes discutiram poliuretanos usados em curativos autorregeneráveis e um poliuretano funcionalizado com heparina com propriedades autorregeneráveis baseadas em ligações de hidrogênio e ligações dissulfeto.
A pesquisa de hoje, as descobertas de amanhã
Os materiais autorregeneráveis ainda precisam superar muitos obstáculos antes de serem amplamente comercializados para uso médico. Em muitos casos, devem passar por extensos ensaios clínicos para garantir segurança e eficácia. Embora essas inovações sejam amplamente experimentais, elas possuem um imenso potencial para a medicina personalizada e a melhoria da qualidade de vida dos pacientes. Podem acelerar a cicatrização, prevenir infecções, entregar medicamentos em áreas de difícil acesso do corpo e aprimorar dispositivos que auxiliam sistemas corporais.
Ao aproveitar os melhores materiais da natureza com inovações químicas, a comunidade científica pode abrir novas possibilidades para a saúde e a recuperação com materiais autorregeneráveis. Saiba mais sobre materiais autorregeneráveis e tendências emergentes no campo em rápida evolução dos biomateriais em nosso mais recente Relatório de Insights.
Este artigo incorpora pesquisas concluídas em colaboração com a Universidade Westlake, na China.
