Há uma classe de materiais que têm a capacidade única de se recuperar de danos mecânicos, térmicos e induzidos por produtos químicos para restaurar suas propriedades originais sem assistência externa. Conhecidas como materiais “autocurativos”, essas substâncias são uma área promissora de pesquisa na área biomédica, onde têm pedidos no tratamento de feridas, dispositivos médicos, administração de medicamentos e muito mais.
Somente certas substâncias podem se autocurar e, ao mesmo tempo, serem compatíveis com os tecidos humanos e as condições complexas do corpo. Nossa pesquisa mais recente usando a Coleção de Conteúdo do CASTM revela quais materiais têm o maior potencial para esses avanços biomédicos e quais pedidos já fizeram o maior progresso.
Como funcionam os materiais de autocura
“Autocura” pode se referir a muitos materiais que podem se reparar em um nível macroscópico ou molecular após serem danificados. Em pedidos biomédicos, os materiais de autocura mais comumente usados incorporam polímeros — ou seja, moléculas grandes unidas entre si — que são modificados para que possam formar ligações químicas reversíveis. Uma grande variedade de polímeros, incluindo materiais de origem natural, como quitosana e materiais sintéticos como PEG, estão sendo pesquisados ativamente em pedidos biomédicos de autocura. 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 uso no corpo humano. Eles também podem ter grupos paralelos que podem ser projetados para participar de interações de autocura, além de suas outras propriedades. Por exemplo, materiais autocurativos geralmente têm ligações de hidrogênio em sua composição química, que são comuns em proteínas e podem ser facilmente quebradas e reformadas mesmo em temperatura ambiente.
Como é essa reforma? Considere uma substância gelatinosa sendo empurrada por uma agulha. Se o gel contiver ligações reversíveis e autocurativas, essas ligações podem ser temporariamente quebradas devido ao estresse no gel ao passar pela agulha, fazendo com que ele se torne líquido.
Essas ligações podem então se reformar, restaurando as propriedades do tipo gel da substância no corpo após a injeção.
Pedidos médicos atuais e futuros
Os materiais de autocura já são usados em muitos dispositivos implantados, curativos e sistemas de administração de medicamentos. Algumas das pesquisas mais interessantes de hoje envolvem hidrogéis, um grande conjunto de materiais biocompatíveis à base de água que podem ser projetados para ter propriedades autocurativas. As lentes de contato gelatinosas são um exemplo de hidrogel em uso biomédico, mas os pesquisadores estão descobrindo ainda mais usos potenciais para esses materiais:
- Tratamento de feridas: Os hidrogéis podem imitar os tecidos humanos com sua suavidade e flexibilidade, e podem ser projetados com propriedades antibacterianas, que auxiliam na cicatrização de feridas. Por exemplo, um grupo de pesquisadores desenvolveu um hidrogel que pode ser injetado em leitos irregulares de queimaduras profundas. Outros criaram um hidrogel autocurativo injetável e biocompatível para feridas próximas a partes do corpo que sofrem alongamentos frequentes, 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 modificados quimicamente para ter propriedades de autocura, o que explica por que os polímeros naturais são tão frequentemente citados em publicações sobre hidrogéis (veja a Figura 2).
- Andaime de tecido: Os hidrogéis autocurativos estão se mostrando promissores na medicina regenerativa, particularmente para promover o desenvolvimento de tecidos e órgãos. Ao atuarem como andaimes, esses materiais podem se consertar dentro do corpo, mesmo que sofram uma lesão, promovendo assim o crescimento e o reparo dos tecidos.
Por exemplo, pesquisadores desenvolveram um hidrogel de rede polimérica interpenetrante (IPN) mecanicamente compatível usando poliacrilamida (PAAM) e gelatina. O hidrogel PAAM/gelatina combinou o tecido natural das cordas vocais em propriedades físicas e químicas, por isso funcionou como um implante de tecido adesivo artificial para reparo da voz.
Pesquisadores na China também desenvolveram uma estrutura composta de fibra de hidrogel para geração muscular. A fibra foi eletrofiada a partir de uma mistura de grafeno, melatonina e um polímero biocompatível, como ácido polilático ou policaprolactona, enquanto um derivado do ácido hialurônico foi usado como matriz de hidrogel.
Os hidrogéis também podem ser usados para regeneração de tecidos duros, como demonstrou um grupo de pesquisadores. O compósito de hidrogel continha fosfato de cálcio formando ligações reversíveis com a matriz de dentina tratada com ácido poliacrílico e carboximetilquitosana, seguidas por ligações dinâmicas iônicas e de hidrogênio na matriz. Este estudo mostrou que o hidrogel reteve sua bioatividade e promoveu a regeneração da dentina/tecido duro ósseo.
- Entrega de medicamentos: Os hidrogéis podem ser projetados com ligações cruzadas reversíveis que se quebram quando sofrem tensão de cisalhamento passando por uma agulha. O gel fluirá como um líquido durante a injeção e, em seguida, poderá se transformar em um gel 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 mostraram que um hidrogel injetável responsivo ao pH pode fornecer medicamentos para o tratamento do câncer em locais específicos do corpo e depois se decompor após o parto. Outra equipe de pesquisadores usou um hidrogel para administrar quimioterapia, com a droga sendo ativada usando uma buzina ultrassônica após a injeção. Outro hidrogel foi injetado em uma cavidade de ressecção tumoral para administrar eletroterapia direcionada às células cancerosas residuais após a 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 para assistir
Nossa análise de documentos e citações na Coleção de Conteúdo do CAS mostra um crescimento constante nas publicações de periódicos sobre materiais de autocura nos últimos 20 anos. Um aumento recente na relação entre periódicos e patentes sugere que o foco ainda está no desenvolvimento em estágio inicial, e não na comercialização.
Muitas interações químicas podem ser usadas para conferir propriedades de autocura aos polímeros, incluindo ligações covalentes e não covalentes. Exemplos de interações covalentes incluem ligações dinâmicas de base de Schiff, que são amplamente usadas para biomateriais e cresceram significativamente nos últimos cinco anos. Essas ligações são baseadas em reações entre um nucleófilo e um aldeído ou cetona para formar uma ligação, normalmente uma imina ou oxima, que é reversível na presença de água. Um exemplo disso é um hidrogel autocurativo baseado em uma mistura de ácido hialurônico modificado com dialdeído e cistamina.
A ligação de hidrogênio, conforme mencionado anteriormente, é uma interação não covalente comum, junto com interações hidrofóbicas, hospedeiro-hospedeiro, eletrostáticas, empilhamento π e coordenação metal-ligante, principalmente aquelas entre catecóis e íons de ferro (III).
Também estamos vendo 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 autocurativos. Publicações recentes de patentes discutiram poliuretanos usados em curativos autocurativos e um poliuretano funcionalizado com heparina com propriedades de autocura com base em ligações de hidrogênio e ligações dissulfeto.
A pesquisa de hoje, os avanços de amanhã
Os materiais de autocura ainda têm muitos obstáculos a superar antes de serem amplamente comercializados para uso médico. Em muitos casos, eles devem passar por extensos ensaios clínicos para garantir a segurança e a eficácia. Embora essas inovações sejam em grande parte experimentais, elas têm um imenso potencial para medicina personalizada e melhoria da qualidade de vida dos pacientes. Eles podem acelerar a cura, prevenir infecções, administrar medicamentos em áreas de difícil acesso do corpo e melhorar os dispositivos que auxiliam os sistemas corporais.
Ao alavancar os melhores materiais da natureza com inovações químicas, a comunidade científica pode abrir novas possibilidades de saúde e recuperação com materiais autocurativos. Saiba mais sobre materiais de autocura e tendências emergentes no campo de biomateriais em rápida evolução em nossas últimas novidades Relatório de insights.
Este artigo incorpora pesquisas concluídas em colaboração com a Westlake University, China.
