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Ciência17/01/2022

Microrrobôs imitam crescimento ósseo e criam seus próprios ossos

O material preto é um polímero eletroativo, cujo volume muda quando os pesquisadores aplicam uma baixa voltagem, o que faz esse simples “microrrobô” se dobrar. Do outro lado do material, pode-se ver o gel ao qual os pesquisadores anexaram biomoléculas que permitem que o material de gel macio endureça como um osso. Crédito: Olov Planthaber/LiU

17/01/22 - 11h03min - Atualizado em 17/01/22 - 12h40min

Inspirados pelo crescimento dos ossos no esqueleto, pesquisadores das universidades de Linköping (Suécia) e Okayama (Japão) desenvolveram uma combinação de materiais que podem se transformar em várias formas antes de endurecer. O material é inicialmente macio, mas depois endurece através de um processo de desenvolvimento ósseo que usa os mesmos materiais encontrados no esqueleto.

Quando nascemos, temos lacunas em nossos crânios que são cobertas por pedaços de tecido conjuntivo macio chamados fontanelas. É graças às fontanelas que nossos crânios podem ser deformados durante o parto e passar com sucesso pelo canal do parto. Após o nascimento, o tecido da fontanela muda gradualmente para osso duro. Agora, os pesquisadores combinaram materiais que, juntos, se assemelham a esse processo natural.

“Queremos usar isso para aplicações em que os materiais precisam ter propriedades diferentes em diferentes momentos. Em primeiro lugar, o material é macio e flexível e, em seguida, é travado no lugar quando endurece. Esse material pode ser usado, por exemplo, em fraturas ósseas complicadas. Também poderia ser usado em microrrobôs – esses microrrobôs macios podem ser injetados no corpo através de uma seringa fina, e então eles se desdobram e desenvolvem seus próprios ossos rígidos”, disse Edwin Jager, professor associado do Departamento de Física, Química e Biologia (IFM) na Universidade de Linköping.

Diferentes tipos de forma e rigidez

A ideia surgiu durante uma visita de pesquisa no Japão, quando o cientista de materiais Edwin Jager conheceu Hiroshi Kamioka e Emilio Hara, que realizam pesquisas relacionadas a ossos. Os pesquisadores japoneses descobriram um tipo de biomolécula que poderia estimular o crescimento ósseo em um curto período de tempo. Seria possível combinar essa biomolécula com a pesquisa de materiais de Jager, para desenvolver novos materiais com rigidez variável?

No estudo que se seguiu, publicado na revista Advanced Materials, os pesquisadores construíram uma espécie de “microrrobô” simples, que pode assumir diferentes formas e mudar a rigidez. Os pesquisadores começaram com um material de gel chamado alginato. De um lado do gel, cresce um material polimérico. Esse material é eletroativo e altera seu volume quando uma baixa voltagem é aplicada, fazendo com que o microrrobô se dobre em uma direção especificada. Do outro lado do gel, os pesquisadores anexaram biomoléculas que permitem que o material do gel macio endureça. Essas biomoléculas são extraídas da membrana celular de um tipo de célula importante para o desenvolvimento ósseo. Quando o material é imerso em um meio de cultura de células – um ambiente que se assemelha ao corpo e contém cálcio e fósforo –, as biomoléculas fazem o gel mineralizar e endurecer como osso.

Uma aplicação potencial de interesse para os pesquisadores é a cicatrização óssea. A ideia é que o material macio, alimentado pelo polímero eletroativo, consiga transitar em espaços em fraturas ósseas complicadas e se expandir. Quando o material endurece, pode formar a base para a construção de um novo osso. Em seu estudo, os pesquisadores demonstram que o material pode se enrolar em torno de ossos de galinha, e o osso artificial que se desenvolve posteriormente cresce junto com o osso de galinha.

Controle do giro

Ao fazerem padrões no gel, os pesquisadores podem determinar como o microrrobô simples se curvará quando a tensão for aplicada. Linhas perpendiculares na superfície do material fazem o robô se dobrar em semicírculo, enquanto linhas diagonais o fazem dobrar como um saca-rolhas.

“Ao controlar como o material gira, podemos fazer o microrrobô se mover de diferentes maneiras e também afetar como o material se desenrola em ossos quebrados. Podemos incorporar esses movimentos na estrutura do material, tornando desnecessários programas complexos para dirigir esses robôs”, disse Edwin Jager.

Para saberem mais sobre a biocompatibilidade dessa combinação de materiais, os pesquisadores agora estão analisando como suas propriedades funcionam em conjunto com células vivas.

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Advanced Materials