Estruturas desenvolvidas por equipe da USP e da Faculdade
Imagens de microscopia da estrutura dos biomateriais testados na recuperação
de fraturas durante o estudo; à direita, matriz de carbono;
à esquerda, a mesma matriz associada a nanografite
(imagem: Daniela Franco Bueno et al.)
Albert Einstein se combinam com polímeros de origem orgânica e podem recuperar também perda ou malformação dos ossos
Experimentos feitos com ratos de laboratório mostraram que estruturas à base de grafeno (“folhas” do elemento químico carbono com apenas um átomo de espessura) podem funcionar como um aliado poderoso na regeneração dos ossos, ajudando a sanar fraturas ou perda óssea. Nos testes, a matriz biocompatível incluindo o grafeno promoveu uma reparação de quase 90% do dano sofrido pelas cobaias um mês após a fratura induzida em laboratório – um desempenho superior a outros materiais usados na pesquisa.
A análise do desempenho do biomaterial foi publicada no periódico Scientific Reports. Coordenaram o estudo Daniela Franco Bueno, da Faculdade Israelita de Ciências da Saúde Albert Einstein, e Guilherme Lenz e Silva, da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP).
Para Bueno, os resultados trazem uma boa expectativa de que a abordagem avance para o uso em pacientes humanos em um futuro não muito distante. “Essa tecnologia se encontra em uma fase avançada de desenvolvimento pré-clínico”, resume ela. “Há um caminho claro para aplicação em estudos clínicos nos próximos passos.”
Como matéria-prima para os experimentos, a equipe utilizou o licor negro, um subproduto da indústria de papel e celulose que contém, entre outras coisas, resíduos de madeira dissolvida e outras moléculas orgânicas, formando uma solução escura (daí o nome).
O carbono obtido por meio do processamento do licor negro foi associado a diferentes materiais com estrutura nanométrica (da ordem de bilionésimos de metro), entre eles o grafeno propriamente dito, o óxido de grafeno e o nanografite. O último componente a se juntar a eles são os polímeros à base de quitosana-xantana, moléculas orgânicas complexas derivadas, respectivamente, de crustáceos e bactérias.
Bueno explica que biomateriais como esses não se comportam como próteses permanentes inertes, como as feitas de metal, mas também não são simplesmente reabsorvidos pelo organismo, como acontece com alguns polímeros biodegradáveis já conhecidos há muito tempo.
“No contexto da engenharia de tecidos, esses materiais atuam principalmente como scaffolds [“andaimes”] bioativos”, diz ela. “São estruturas temporárias que orientam, estimulam e aceleram a regeneração do tecido ósseo. No médio e longo prazo, o que acontece não é uma permanência passiva do material, mas sim uma interação dinâmica com o organismo.”
Tudo vai depender de fatores como a forma exata das estruturas de carbono, o tamanho das partículas e a associação com outros materiais. Isso vai influenciar a relação do biomaterial com células do organismo, como macrófagos (células de defesa), osteoclastos (responsáveis pela reabsorção de estruturas ósseas) e células-tronco (que dão origem a diversos tipos de estruturas celulares). Em diferentes casos, o material pode ser degradado ou remodelado, ser substituído aos poucos pela formação de um novo tecido ósseo ou ficar ali em quantidades residuais, sem causar inflamação e atuando como um reforço estrutural.
“O sucesso do biomaterial é justamente deixar de ser o protagonista e dar lugar ao tecido regenerado”, afirma a pesquisadora. Seguindo essa lógica, a combinação de quitosana com grafeno é estratégica porque cada um dos materiais influencia aspectos diferentes do processo de regeneração do osso lesado.
De um lado, a quitosana é mais moldável e se degrada de forma controlada no organismo, além de ser mais biocompatível (ou seja, não é rejeitada pelo corpo). O grafeno, por outro lado, favorece a adesão das células no local, a vascularização (formação de novos vasos sanguíneos) e a diferenciação osteogênica – processo no qual os diferentes tipos de células ósseas vão assumindo funções especializadas.
“Essa sinergia cria uma estrutura tridimensional que não é apenas um suporte físico, mas um ambiente biologicamente ativo, capaz de estimular as células a formar osso de maneira mais rápida, organizada e funcional”, diz Bueno.
Para que esse processo de fato aconteça, é preciso regular fatores como a microarquitetura dos biomateriais, de forma que eles tenham poros com tamanho e conexões capazes de permitir a entrada de vasos sanguíneos e células e a troca de nutrientes. Também é necessário levar em conta propriedades como rigidez e resistência, para que sejam compatíveis com o osso. Tudo isso é controlado por métodos de produção em laboratório e com o uso de impressão 3D.
Nos experimentos descritos no trabalho, apoiado pela FAPESP (processos (20/12954-2 e 18/18890-6), a equipe usou os biomateriais, com diferentes formulações, para promover a regeneração de fraturas provocadas nas tíbias (ossos da canela) de 16 ratos machos. Todos os tipos de scaffolds registraram taxas significativas de recuperação óssea, tendo o grafeno o melhor desempenho de todos.
A expectativa é que a abordagem seja útil tanto em fraturas quanto para reconstruir perda óssea ou problemas congênitos em que houve malformação no osso. Para isso, o plano dos pesquisadores é combinar os biomateriais com células-tronco, como as derivadas da polpa de dentes decíduos (de leite), algo que a equipe também está testando.
“A associação das células-tronco aos biomateriais acelera a formação óssea, orquestrando a vascularização e a integração do tecido e tornando o processo mais eficiente e biologicamente inteligente. Não estamos substituindo tecidos, mas ensinando o corpo a regenerá-los”, explica a autora do estudo.
O artigo Structural and biological characterization of carbon–graphene biomaterials derived from black liquor with functional properties for bone tissue engineering pode ser lido em: nature.com/articles/s41598-025-29606-x.
Reinaldo José Lopes
Agência FAPESP
https://agencia.fapesp.br/andaime-de-grafeno-recruta-celulas-osseas-e-ajuda-organismo-a-regenerar-fratura/57408
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