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NANOTECNOLOGIA DE HIDROGEL LÍQUIDO PRODUZINDO PELE ARTIFICIAL

NANOTECNOLOGIA DE HIDROGEL LÍQUIDO PRODUZINDO PELE ARTIFICIAL

Edição Vol. 3, N. 13, 20 de Julho de 2016

DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2016.07.21.002

Professores do MIT desenvolveram um método para ligar materiais poliméricos semelhantes à gelatina, chamados de hidrogéis e elastômeros, que poderiam ser utilizados para fazer a pele artificial e lentes de contato mais duradouras.

Se você deixar um cubo de gelatina no balcão da cozinha, eventualmente, sua água irá evaporar, deixando para trás uma massa encolhida, endurecida – dificilmente uma preparação apetitosa. O mesmo é verdadeiro para os hidrogéis. Feito principalmente de água, estes materiais poliméricos feitos com substâncias que se assemelham à gelatina são elásticos e absorventes até que, inevitavelmente, secam.

Entretanto, com estudos em pesquisas básicas, os pesquisadores/cientistas do MIT descobriram uma maneira de impedir a desidratação dos hidrogéis, com uma técnica que poderia levar a uma mais prolongada duração de lentes de contato (daquelas que se usam nos olhos), dispositivos microfluídicos elásticos (aqui poderíamos imaginar desde minúsculos poços, cada um com células de um tecido, interconectados um com o outro, formando um mini corpo humano in vitro para análises de metabolização de medicamentos e drogas, até veias por onde circulariam o sangue), bioeletrônicos flexíveis (imagine braços e pernas biônicos sensíveis ao toque e macios!), e até mesmo a pele artificial (o maior órgão do corpo humano sendo reparado, por exemplo, em casos de queimaduras!).

Os cientistas, liderados pelo prof. Dr Xuanhe Zhao, do Desenvolvimento de Carreira o Robert N. Noyce no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, desenvolveu um método que liga robustamente hidrogéis aos elastômeros – estes são polímeros elásticos como borracha e silicone que são elásticos como os hidrogéis, porém impermeáveis à água. Eles descobriram que o revestimento de hidrogéis com uma fina camada de elastômero provê uma barreira que retêm a água mantendo o hidrogel úmido, flexível e robusto.

O prof. Zhao diz que o grupo tomou a inspiração para seu design a partir do exemplo da biologia, a própria pele humana, que é composta de uma camada da epiderme externa ligada a uma camada da derme subjacente, interna. A epiderme atua como um escudo, protegendo a derme e sua rede de nervos e de vasos capilares, assim como o resto dos músculos e órgãos do corpo, de secarem (Figura 1).

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Figura 1: A pele humana e seus componentes. Fonte: internet.

O híbrido de hidrogel-elastômero é semelhante em design à, e de fato várias vezes mais resistente do que a ligação entre a epiderme e a derme. A equipe desenvolveu um modelo físico para guiar quantitativamente o design de várias ligações ou complexações de hidrogel-elastômero. Além disso, os pesquisadores estão explorando várias aplicações para o material híbrido, incluindo a pele artificial. Pois é, até aqui é ciência básica, o que nossos governantes sempre teimam em investir. Outros, alguns colegas professores que politicamente foram indicados para cargos comissionados, usam a prerrogativa de que devem investir, porém, só da boca para fora, infelizmente! No mesmo artigo, eles descrevem uma técnica de construir pequenos canais padrões para o material híbrido, semelhante aos vasos sanguíneos. Eles também incorporaram circuitos complexos iônicos no material que imitam as redes nervosas.

Podemos esperar que este trabalho possa pavimentar o caminho para a pele sintética, ou até mesmo robôs com pele muito macia e flexível com funções biológicas. É como imaginar um braço ou perna biônicos para que pessoas que tiveram seus membros amputados pudessem utilizar em lugar das próteses duras. Esses membros biônicos seriam flexíveis e, até mesmo, sensíveis ao toque!

MIT DESENVOLVE NOVO HIDROGEL HÍBRIDO RESISTENTE 

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Figura 2: (A) mostra o procedimento para a fabricação de um chip microfluídico de hidrogel-elastómero. A Figura (B) mostra que o hidrogel-elastómero híbrido microfluídico suporta a convecção de produtos químicos (representado por corantes de alimentos em diferentes cores) nos canais microfluídicos e difusão dos produtos químicos no hidrogel, mesmo quando o material é estirado, como pode ser visto na figura (C). Na figura (D), o híbrido de microfluidos é usado como uma plataforma para um estudo de difusão-reação. Soluções ácidas e básicas de dois canais microfluídicos difundem-se no hidrogel sensível ao pH formando regiões de diferentes cores (vermelho brilhante para o pH ácido e violeta escuro para o pH básico). Fonte: (1)

FICANDO SOB A PELE

Em dezembro de 2015, a equipe do prof. Zhao relatou que havia desenvolvido uma técnica para se obter uma ligação extremamente robusta entre hidrogéis e superfícies sólidas, tais como metal, cerâmica e vidro. Os pesquisadores usaram a técnica para incorporar sensores eletrônicos dentro de hidrogéis para criar um curativo “inteligente”. Eles descobriram, no entanto, que o hidrogel acabaria por secar, perdendo sua flexibilidade (1).

Outros têm tentado em tratar hidrogéis com sais para impedir a desidratação, que diz Zhao ser eficaz, mas este método pode tornar um hidrogel incompatível com os tecidos biológicos, já que o sal retiraria água do tecido vivo por osmose, levando a pessoa à desidratação (1). Esse é um dos problemas na queimadura e, neste caso, o hidrogel pioraria a situação clínica do paciente. Em vez disso, os pesquisadores, inspirados pela pele, razoaram entre si que se os hidrogéis fossem revestidos com um material que fosse igualmente elástico, mas também resistente à água seria a melhor estratégia para prevenir a desidratação. Eles logo perceberam que os elastômeros seriam o revestimento ideal, embora o uso do material de borracha tinha um grande desafio: Ele era inerentemente resistente à ligação com hidrogéis (1).

A maioria dos elastômeros são hidrofóbicos, o que significa que não gosta de água. Mas hidrogéis são uma versão modificada da água. Então, esses materiais não gostam muito uns dos outros e, geralmente, não podem formar uma boa aderência.

A equipe tentou ligar os materiais em conjunto, utilizando uma técnica que eles desenvolveram para superfícies sólidas, mas com elastômeros, no entanto, a ligação do hidrogel era “terrivelmente fraca.” Depois de pesquisar na literatura sobre os agentes de ligação química, os pesquisadores descobriram um composto candidato que poderia ligar hidrogéis e elastómeros: a benzofenona, que é ativada por meio de luz ultravioleta (UV) (1).

Depois de mergulhar uma folha fina de elastômero em uma solução de benzofenona, os pesquisadores envolveram o elastômero tratado em torno de uma folha de hidrogel e expôs o híbrido à luz UV. Eles descobriram que, após 48 horas em um ambiente de laboratório seco, o peso do material híbrido não se alterou, indicando que o hidrogel manteve a maior parte de sua humidade (1). Eles também mediram a força requerida para destacar, ou separar, os dois materiais, e descobriram que a força necessária para separá-los era de 1.000 joules por metro quadrado – uma força muito maior do que aquela necessária para destacar a epiderme da derme da pele. O híbrido é mais duradouro do que a pele. Também se pode esticar o material sete vezes o seu comprimento original, e o vínculo entre eles ainda se mantém (1).

EXPANDINDO O CONJUNTO DE USOS PARA O HIDROGEL

Tomando a comparação com a pele um passo mais longe, a equipe desenvolveu um método para gravar minúsculos canais dentro do híbrido hidrogel-elastômero para simular uma rede simples de vasos sanguíneos. Primeiramente eles curaram um elastômero comum sobre um molde de silício com um padrão de três canais simples, gravando o padrão para o elastômero utilizando litografia fina. Eles, então, mergulharam o elastômero modelado em benzofenona (1), colocou uma folha de hidrogel sobre o elastômero, e expôs ambas as camadas à luz ultravioleta. Nos experimentos, os pesquisadores foram capazes de fluir corantes alimentares das cores vermelha, azul, e verde através de cada canal no material híbrido (1).

Yuk, um dos autores do artigo, diz que, no futuro, o material híbrido de elastômero poderá ser utilizado como uma ligadura microfluídica elástica, para entregar medicamentos diretamente através da pele (1).

Com isso, eles demonstraram ser possível usar o novo material como um circuito microfluídico elástico.No corpo humano, as coisas estão se movendo, se flexionando e deformando. Aqui, talvez possamos fazer a microfluídica e ver como o dispositivo se comporta em uma parte móvel do corpo.

Os pesquisadores também exploraram o potencial do material híbrido como um circuito iônico complexo. Uma rede neural é como um circuito; nervos na pele enviam íons para trás e para frente para sinalizar as sensações, como calor e dor. O prof Zhao diz que os hidrogéis, sendo na sua maior parte compostos de água, são condutores naturais através dos quais os íons podem fluir. A adição de uma camada de elastômero, diz ele, age como um isolador, impedindo que os íons escapem para fora – uma combinação essencial para qualquer circuito.

Para tornar o híbrido condutor para os íons, os pesquisadores submergiram o material híbrido numa solução concentrada de cloreto de sódio, em seguida, conectaram uma luz LED ao material. Ao colocar os eletrodos em cada extremidade do material, eles foram capazes de gerar uma corrente iónica que acendia a luz (1). 

Yuk, um dos autores do artigo, diz que, no futuro, o material híbrido de elastômero poderá ser utilizado como uma ligadura microfluídica elástica, para entregar medicamentos diretamente através da pele.

Os hidrogéis e elastômeros possuem propriedades físicas e químicas distintas que, quando combinadas, podem levar a novas aplicações. Isso faz com que este seja um trabalho instigante. Entre muitas aplicações, é possível imaginar peles artificiais inteligentes que são implantadas e fornecem uma janela para interagir com o corpo para o acompanhamento da saúde, sensação de patógenos ou doenças, e entrega de medicamentos.

Em seguida, o grupo espera ainda testar mais o potencial do material híbrido em uma série de aplicações, incluindo eletrônicos vestíveis e adesivos de entrega de medicamentos por demanda, bem como lentes de contato que não desidratam e embebidas em circuito (1).

Fonte: Jennifer Chu, MIT Notícias

Referências

1.Yuk H, Zhang T, Parada GA, Liu X, Zhao X. Skin-inspired hydrogel-elastomer hybrids with robust interfaces and functional microstructures. Nature communications. 2016;7:12028.

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