biomaterials and scaffolds

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RECÔNCAVO DA BAHIACENTRO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE

Biomaterials and Scaffolds for Tissue Engineering

Santo Antonio de Jesus – BAFevereiro de 2013

George Gonçalves

O'BRIEN, F. J. (2011)Royal College of Surgeons in Ireland, fjobrien@rcsi.ieMaterials Today

CONTEÚDO

• Introdução (Visão Geral);

• Biomateriais;

• Requisitos para Scaffolds;

• Estudo de caso: Scaffolds de colágeno para engenharia de tecido ósseo;

• Scaffolds para engenharia de tecidos: estado da arte e direções futuras.

• Doenças• Lesões • Traumas

INTRODUÇÃO

DEGENERAÇÃO TECIDUAL

AloenxertosAutoenxertos Xenoenxertos

CaroDoloroso

Limitações AnatômicasHematomas

Disponibilidade TecidualRisco de Rejeição

InfecçõesDoenças

ENGENHARIA DE TECIDOS

INTRODUÇÃO

ENGENHARIA DE TECIDOS

• Função• Estética

Substitutos Biológicos

Scaffolds 3D

Adaptado de: http://www.tissue-engineering.it/home/images/stories/ml%20fabrication.jpg

Biomateriais

INTRODUÇÃO

BiomaterialScaffold

Células

Engenharia de Tecidos

Fatores de Crescimento

/Bioreatores

Fig. 1. “Tríade da Engenharia de Tecidos”

‘Material não viável utilizado num dispositivo médico, destinado a interagir com sistemas biológicos.’

BIOMATERIAIS

‘Material destinado a interagir com sistemas biológicos para avaliar, tratar, aumentar ou substituir qualquer tecido, órgão ou função do corpo’

European Society for Biomaterials (1976)

Adaptado de:http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1084952108001547-gr2.jpg

Biocompatibilidade

Biodegradabilidade

Propriedades Mecânicas

Estrutura

Tecnologia de Fabricação

REQUISITOS PARA SCAFFOLDS

BIOCOMPATIBILIDADE

Adaptado de:http://blogs.rsc.org/bm/files/2012/11/C2BM90003C.jpg

• Adesão celular;

• Migração celular;

• Proliferação celular;

• Resposta imune negligenciável.

REQUISITOS PARA SCAFFOLDS

BIODEGRADABILIDADE

• Produção da Matriz Extracelular (MEC);

• Não-toxicidade;

• Promover Interações:

Célula x Biomaterial.

Adaptado de:

Duncan e Breuer (2011)

REQUISITOS PARA SCAFFOLDS

Segundo Vert et al. (1992)

Biodegradável

• Sofrem dispersão in vivo;• Não há eliminação de subprodutos pelo organismo.

Segundo Vert et al. (1992)

Bioreabsorvível

• São reabsorvídos in vivo;• São eliminados por rotas metabólicas. TOTAL

Segundo Vert et al. (1992)

Bioabsorvível

• São dissolvidos em flúidos corpóreos;• Sem diminuição da massa molecular;• Pode ser reabsorvível.

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Depende da necessidade;

• Manter a Integridade.

FORÇA ELASTICIDADE

http://www010.upp.so-net.ne.jp/r-ogawa/jp/parts/scrap12.jpghttp://www.materials.drexel.edu/Students/Co-op/Profiles/DerrickSmith/hip-xray.jpg

REQUISITOS PARA SCAFFOLDS

ESTRUTURA

• Porosidade;• Tamanho dos poros.

Fig. 2. Células osteoblásticas (verde) aderidas a Scaffold de colágeno-GAG (vermelho) .

REQUISITOS PARA SCAFFOLDS

REQUISITOS PARA SCAFFOLDS

TECNOLOGIA DE FABRICAÇÃO

• Clinicamente e comercialmente viável.

http://files.lcp-ima.webnode.com.br/200000030-25135260b4/SDC13542.JPG

http://topnews.in/healthcare/sites/default/files/artificial-skin1.jpg

CERÂMICAS

Scaffolds

POLÍMEROS

NATURAIS

POLÍMEROS

SINTÉTICOS

SCAFFOLDS

CERÂMICAS

• Hidroxiapatita (HA);• Fosfatos de Tricálcio (TCP).

RIGIDEZ

ELASTICIDADE

SUPERFÍCIEQUEBRADIÇA

http://engbiotec.files.wordpress.com/2012/09/enxerto.jpg

http://www.biomech.ethz.ch/research/mb/ste/figure1.jpg?hires

http://www.geistlich.com.br/typo3temp/pics/M_fd5b877741.jpg

SCAFFOLDS

POLÍMEROS SINTÉTICOS

• Poliestireno;• Poli (Ácido L-Lático) (PLLA);• Ácido Poliglicólico (PGA).

DEGRADAÇÃOCONTROLÁVEL

ELASTICIDADE

BIOATIVIDADE

DEGRADAÇÃO POR HIDRÓLISE

CO2 pH

Adaptado de:http://herkules.oulu.fi/isbn9514266676/html/graphic11.jpe

SCAFFOLDS

POLÍMEROS NATURAIS

• Colágeno;• Quitosana;• Alginato.

BIOLOGICAMENTE ATIVOS

CRESCIMENTO CELULAR

ADESÃO CELULAR

PROPRIEDADESMECÂNICAS

http://2.bp.blogspot.com/_5C_306IztQU/R_DaKZmOlKI/AAAAAAAABxM/ooIK7xUs6_M/s400/3.jpg

SCAFFOLDS

Fig. 3. (a) Scaffold de colágeno-GAG (CG); (b) Hidroxiapatita (HA); e (c) scaffold de compósito de colágeno-HA (CHA).

COMPÓSITOS

SCAFFOLDS DE COLÁGENO PARA ENGENHARIA DE TECIDO ÓSSEO

ESTUDO DE CASO:

SCAFFOLDS DE COLÁGENO

http://www.brasiledinheiro.com/wp-content/uploads/2012/03/Tecido-Epitelial-4.jpg

http://3.bp.blogspot.com/_X_6P0lbMEC4/S-b4TVx52eI/AAAAAAAAAO4/QdsLcevJ05M/s1600/epitelio+pavimentoso+simples+vaso+sanguineo-lamina-36a-400x.jpg

http://anatpat.unicamp.br/Dscn45239++.jpg

http://1.bp.blogspot.com/-UKKHL-sSp8I/Tsm0wffo_9I/AAAAAAAAAFY/sxIEJmWXZgE/s320/cartilagem2.jpg

Colágeno

• 89% da Matriz Orgânica Óssea;• 32% da Composição do Osso.

http://www.hypro.cz/img/kolagen/model.gif

Adaptado de:http://medicinapertutti.altervista.org/istologia/tessuto_cartilagineo/img_tess_cart/schema_proteoglicani_in_cartilagine.jpg

Colágeno I Glicosaminoglicanos Colágeno-GAG

SCAFFOLDS DE COLÁGENO

Promovem regeneração óssea in vivo de calvária.

Facilitam a reparação de regiões submetidas a níveis mais elevados de carga.

SCAFFOLDS DE COLÁGENO

Scaffold de compósito de colágeno-HA (CHA).

Fig. 4. Efeito da adição de HA na Rigidez e Permeabilidade da Sacaffold de Colágeno. A adição causou um aumento significante na rigidez (*p < 0.05). Mas também aumentou a permeabilidade . Após a hidratação os poros permanecem abertos.

SCAFFOLDS DE COLÁGENO

Fig. 5. Mineralização celular mediada por osteoblastos sobre a CHA scaffolds contendo quantidades diferentes de HA (expresso como % em peso em relação ao colágeno). 'Em branco' mostra valores originais de HA nas scaffolds para comparação. A presença de HA produziu uma resposta osteoindutora em que a sua composição química aumentou o potencial osteogénico das células, resultando em neoformação óssea.

SCAFFOLDS DE COLÁGENO

Comparação da regeneração entre scaffolds sem células e scaffolds com Células Tronco Mesenquimais (MSCs) cultivadas.

Fig.6. Exemplo de degradação do núcleo em um defeito calvária de ratos tratados com uma scaffold de fosfato de cálcio e colágeno, 4 semanas após a implantação. (b) Área do defeito completo. Pode ver-se que há uma inflamação significativa e encapsulamento (setas vermelhas) em torno da periferia do tecido implantado, resultando em degradação do núcleo. (a) Imagem com maior ampliação na área do defeito e pode ser visto que a região do núcleo é completamente acelular (setas pretas). As setas brancas representam o tecido ósseo do hospedeiro.

SCAFFOLDS DE COLÁGENO

ESTADO DA ARTE E AS DIREÇÕES FUTURAS

SCAFFOLDS PARA ENGENHARIA DE TECIDOS:

Engenharia de Tecidos

SCAFFOLDS PARA ENGENHARIA DE TECIDOS

http://www.cerebroecoluna.com.br/especialidades/imagens/nervo.jpg

http://www.hyperimport.com.br/files/_fotos/zoom/119FZ1.JPG

http://blogdocancer.com.br/wp-content/uploads/2011/09/rim.jpg

http://medfoco.com.br/wp-content/uploads/2012/10/C%C3%A2ncer-de-cabe%C3%A7a-de-p%C3%A2ncreas-300x214.jpg

http://www.colorretal.com.br/wp-content/uploads/2011/04/intestinoGrosso.gif

http://www.cardioesporte.com.br/imagens/i_imagens/coracaogde.jpg

US$240 milhões

SCAFFOLDS PARA ENGENHARIA DE TECIDOS

DESAFIO:• Vascularização na Scaffold.

ESTRATÉGIA:• Semear celular antes da implantação.

Fig. 7. Formação de microvasos in vitro por células endoteliais sobre scaffold de CG. As células semeadas foram marcados com AlexaFluor 488 Faloidina (que cora o citoesqueleto da célula de verde) e DAPI (que cora o núcleo da célula roxo). Foi observada formação de vasos imagiologia de multifotons.

SCAFFOLDS PARA ENGENHARIA DE TECIDOS

Retardo no tratamento:• Necessidade de vários procedimentos.

Problemas comerciais:• Regulamentação antes da aplicação clínica

SCAFFOLDS PARA ENGENHARIA DE TECIDOS

Pontos Negativos (in vitro)

Artroplastia de articulações:• Regeneração intrínseca da cartilagem é lenta.

Géis semeados com células:• Coração, pele, músculo, neurônios.

Adsorção à Scaffold:• Fatores de crescimento, citocinas, peptídeos de adesão,

drogas.

SCAFFOLDS PARA ENGENHARIA DE TECIDOS

Pontos Positivos (in vitro)

Estas novas pesquisas, em expansão, demonstram o quão multidisciplinar o campo da Engenharia de Tecidos tornou-se, e ao mesmo tempo os desafios são enormes, e as oportunidades de melhorar a saúde humana numa variedade de áreas são imensas. Sem dúvida, tempos empolgantes virão pela frente, e agora está apenas começando a se definir como as tecnologias entrarão nas áreas clínica e comercial.

SCAFFOLDS PARA ENGENHARIA DE TECIDOS

BARBANTI, S. H.; ZARVAGLIA, C. A. C.; DUEK, E. A. R. Polímeros Bioreabsorvíveis na Engenharia de Tecidos. Ciência e Tecnologia, v. 15, n. 1, p. 13-21, 2005.

DUNCAN, D. R.; BREUER, C. K. Challenges in translating vascular tissue engineering to the pediatric clinic. Vascular Cell v. 23, n. 2, 2011.

Referências de Apoio