O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Strontium Calcium Phosphate Nanotubes as Bioinspired Building Blocks for Bone Regeneration. Camila B. Tovani, Tamires M. Oliveira, Mariana P. R. Soares, Nadine Nassif, Sandra Y. Fukada, Pietro Ciancaglini, Alexandre Gloter, and Ana P. Ramos. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 39, 43422–43434. doi.org/10.1021/acsami.0c12434.
Estratégia biomimética para síntese de nanotubos que estimulam a regeneração óssea
Dizem os especialistas que, até o momento, não há nada melhor do que um osso natural para ajudar a regenerar outro osso natural. De fato, apesar dos enormes avanços na área de biomateriais, ainda não existe um material sintético que funcione tão bem quanto o autógeno (osso extraído do próprio paciente) para incentivar a regeneração de tecido ósseo – processo que ocorre em nosso organismo de forma constante e espontânea, mas que se faz necessário estimular mediante a implantação de enxertos quando sofremos perdas ósseas notórias devido a traumatismos ou doenças. Nesse processo, a unidade básica de formação dos ossos é a fibrila de colágeno mineralizada, um cilindro de colágeno formado por um grupo de células chamadas osteoblastos, que é recheado e revestido por fosfatos de cálcio durante a chamada “biomineralização”.
Um trabalho realizado por pesquisadores do Brasil junto a colaboradores da França deu um importante passo nesse contexto. Usando uma estratégia inspirada na natureza, a equipe científica conseguiu produzir no laboratório um material muito semelhante, em formato, tamanho e estrutura, às fibrilas de colágeno mineralizadas. Nesta pesquisa, não foi necessário utilizar estruturas de colágeno, que é uma proteína cara e difícil de se manusear. Em vez disso, os cientistas produziram tubos de cerca de 200 nm de diâmetro, muito parecidos às fibrilas, porém compostos por cristais de fosfato de cálcio, que são o principal componente inorgânico dos ossos, e estrôncio, um elemento utilizado no tratamento da osteoporose, que ajuda a reduzir a perda de tecido ósseo e a aumentar a sua formação.
Em testes in vitro, o material mostrou que não é tóxico para as células e que gera as condições necessárias para a formação de tecido ósseo. Além disso, apresentou capacidade de liberar íons de estrôncio por longos períodos em doses controladas – parâmetro essencial para o desenvolvimento, em longo prazo, de terapias seguras, uma vez que excesso destes pode levar ao enfraquecimento dos ossos.
Estratégia
Para produzir o material com estrutura cilíndrica de dimensões controladas, a equipe se baseou em uma estratégia utilizada por diversos organismos vivos para gerar dentes, conchas e ossos: o confinamento físico, que nada mais é do o uso de um molde para obrigar um material a se formar seguindo uma determinada morfologia e tamanho.
O molde usado foi uma membrana de policarbonato, comercialmente disponível, que tem poros cilíndricos de 200 nm de diâmetro, tamanho semelhante ao das fibrilas de colágeno dos ossos. A membrana foi submergida por doze horas em uma solução contendo fosfato, cálcio e estrôncio, a qual penetrou nos poros. Após secagem da membrana na presença de compostos que desencadearam a mineralização, o policarbonato foi dissolvido, sendo possível separar e analisar o material que tinha se formado no interior dos poros.
“Apenas delimitando o ambiente físico no qual ocorrem os processos de nucleação e crescimento do mineral, obtivemos nanotubos com morfologia, composição e tamanho altamente controlados”, diz Ana Paula Ramos, professora da Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto da USP, e autora correspondente de um artigo recentemente publicado que reporta o trabalho.
O mesmo procedimento, só que sem o uso de moldes, resultou em nanopartículas esféricas aglomeradas, com características bem diferentes das fibrilas de colágeno que se buscava emular.
Surpresa
A pesquisa foi realizada dentro do doutorado de Camila Bussola Tovani, que foi realizado com financiamento da FAPESP, orientado pela professora Ana Paula Ramos e defendido neste ano pelo Programa de Pós-Graduação em Química da USP Ribeirão Preto.
A ideia inicial do projeto era compreender como os íons de estrôncio, usados no tratamento da osteoporose, atuavam no mecanismo de mineralização dos ossos. Como esse processo, no organismo, ocorre em situação de confinamento, limitado pelo arcabouço formado pelas fibrilas de colágeno, Camila e sua orientadora decidiram utilizar um molde para estudar como ocorria a mineralização do fosfato de cálcio na presença dos íons estrôncio.
“Durante a caracterização estrutural, constatamos a elevada similaridade entre as partículas obtidas e as fibrilas de colágeno mineralizadas que formam os ossos, o que nos incentivou a conduzir investigações biológicas”, conta a professora. “O que de fato nos surpreendeu, foi a possibilidade de controlar propriedades das partículas tais como fase mineral, morfologia e tamanho apenas mudando o meio no qual a precipitação ocorria”, completa Ana Paula, que sugere que a mesma estratégia pode ser aplicada para sintetizar outras partículas inorgânicas para diferentes aplicações nas quais o controle das propriedades físico-químicas seja essencial.
Os nanotubos foram produzidos e caracterizados no Laboratório de Físico-Química de Superfícies e Coloides, coordenado pela professora Ana Paula. Ensaios biológicos foram realizados em outros laboratórios do campus da USP em Ribeirão Preto, mediante colaborações com o professor Pietro Ciancaglini e a professora Sandra Fukada.
O trabalho também se beneficiou de duas colaborações da professora Ana Paula com pesquisadores da França. A primeira, com o cientista Alexandre Gloter (Université Paris-Saclay), permitiu investigar o mecanismo de formação e caracterizar os nanotubos por meio de técnicas avançadas de espectroscopia e microscopia. A segunda, com a pesquisadora Nadine Nassif (Sorbonne Université), auxiliou na compreensão dos processos de mineralização óssea. “É interessante destacar que o contato inicial com o Dr. Alexandre Gloter aconteceu no Brasil durante o TEM Summer School, organizado no CNPEM pelo LNNano, e que a bolsa BEPE-FAPESP possibilitou a permanência da Camila Tovani no Laboratório Chimie de la Matiere Condenseè de Paris, da Sorbonne Université, sob supervisão da Dra. Nadine Nassif durante 1 ano”, diz Ana Paula Ramos. “O investimento das agências de fomento em internacionalização, tanto trazendo quanto enviando pesquisadores ao exterior, tem impacto importante nesta pesquisa”, conclui.
Do laboratório ao mercado
De acordo com a professora Ana Paula, depois de realizar uma investigação para validar o desempenho dos nanotubos em modelos animais, o material poderia ser utilizado para preencher localmente pequenos defeitos dos ossos. Os nanotubos também poderiam ser incorporados em matrizes poliméricas que são usadas em cirurgias ortopédicas e crânio-maxilo-faciais para substituição, preenchimento ou reparo de falhas ósseas provocadas por infecções, traumatismos e neoplasias. Ainda, o material poderia ser incorporado a formulações de creme dental para tratamento de hipersensibilidade dentária, uma vez que alguns dentifrícios utilizados para este fim apresentam estrôncio em sua composição.
“O maior desafio para tornar as partículas produto é encontrar empresas do ramo interessadas na tecnologia, o que nos permitiria desenvolver formulações a curto prazo”, afirma a pesquisadora.
