Desenvolvendo tecnologia de impressão 3D de precisão para melhorar a vida dos pacientes

Um amputado controlando uma prótese implantada com seus próprios músculos. Uma médica militar imprimindo em 3D os ossos necessários para tratar ferimentos em campo. Materiais degradáveis ​​que guiam o tecido ósseo para se reparar – e depois desaparecem no corpo como se nunca tivessem existido.

O que parece ficção científica está acontecendo todos os dias nos laboratórios da Universidade do Tennessee, em Knoxville, enquanto pesquisadores de diversas disciplinas trabalham em soluções médicas que tornarão a vida melhor para os pacientes no futuro.

Curando ossos com andaimes 3D

Na Faculdade de Medicina Veterinária, parte do Instituto de Agricultura do UT, pesquisadores biomédicos têm testado uma nova tecnologia que permite a cicatrização dos ossos sem placas e parafusos que permanecem no corpo do paciente.

“A abordagem tradicional para reparar uma lacuna no osso é colocar implantes no corpo que ajudam a restaurar a forma e a função, mas esse processo deixa você com esse hardware permanentemente”, explicou David E. Anderson, reitor associado de pesquisa e pós-graduação da faculdade. . “Temos desenvolvido tecnologias degradáveis ​​que curam o corpo, mas não permanecem no corpo para sempre”.

Um corpo pode perder uma certa quantidade de osso e ainda assim curar-se, explicou Anderson. Os enxertos ósseos representam o padrão-ouro atual para quem ultrapassa esses limites, mas têm suas desvantagens. Um autoenxerto – tecido ósseo retirado de outra parte do corpo do paciente – cria uma segunda ferida que também precisa cicatrizar, enquanto um aloenxerto – tecido ósseo retirado de um cadáver – apresenta risco de rejeição.

Anderson trabalha há mais de 14 anos com Alexandru Biris, diretor do Centro de Ciências Integrativas de Nanotecnologia da Universidade de Arkansas em Little Rock, para desenvolver tecnologia de regeneração óssea. Os andaimes poliméricos altamente porosos que foram desenvolvidos e patenteados pela Biris e refinados e validados em colaboração com Anderson podem ser usados ​​não apenas para preencher a lacuna no osso, mas também para guiar o tecido ósseo existente para preencher essa lacuna.

“Assim como os andaimes que você vê os trabalhadores da construção civil usando na lateral de um prédio, esses andaimes são principalmente espaciais”, explicou Anderson. “São estruturas 3D projetadas para que o tecido ósseo cresça nos espaços da estrutura. A estrutura permite que o tecido saiba para onde ir.”

O objetivo de Biris e Anderson é que os andaimes obtenham a aprovação da Food and Drug Administration dos EUA para uso em pessoas. Os dois pesquisadores co-fundaram uma empresa start-up, NuShores BioSciences LLC, para comercializar a tecnologia – que, disse Anderson, poderia mudar a medicina.

“Muitos dos implantes que colocamos não precisam ficar lá permanentemente porque o osso vai cicatrizar em alguns meses”, disse Anderson. “Isso seria uma enorme vantagem.”

Anderson e seus colegas pesquisadores também estão trabalhando para desenvolver tecnologias para uma abordagem de medicina de precisão para lesões ortopédicas. Com a impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, Anderson prevê um futuro onde ossos, articulações e estruturas serão impressos de acordo com as especificações de cada paciente.

“Neste momento, os hospitais têm de ter um grande inventário de dispositivos ortopédicos porque um tamanho único não serve para todos”, disse ele. “Mas com a tecnologia personalizável, a equipe do hospital pode escanear e medir o paciente e imprimir em 3D exatamente o que precisa”.

Anderson imagina novas unidades cirúrgicas construídas com uma unidade de produção no centro, como o centro de uma roda, com salas cirúrgicas individuais ao seu redor como raios. A fabricação local permitiria que a tecnologia fosse móvel, o que seria útil para aqueles em missões militares, em águas profundas ou no espaço profundo, acrescentou Anderson.

A impressão 3D pode economizar tempo e dinheiro

A UT Knoxville já está fazendo esse tipo de trabalho, graças a pesquisadores como Rigoberto Advincula, Presidente do Governador do Laboratório Nacional UT-Oak Ridge para Materiais Avançados e Nanoestruturados na Tickle College of Engineering da UT.

“Estamos usando a impressão 3D para preparar implantes regenerativos que são degradáveis ​​– que são inofensivos para o corpo metabolizar”, disse Advincula. “E esta também é uma tecnologia inteligente, porque podemos imprimir em 3D em qualquer formato ou proporção que desejarmos.”

Em vez de pegar um bloco sólido de material e fresá-lo de acordo com as especificações do paciente, esta tecnologia poderá em breve permitir que os técnicos projetem digitalmente a peça necessária a partir de um PET ou CT e imprimam-na diretamente de um arquivo eletrônico.

“Os métodos tradicionais demoram mais e são mais caros”, observou Advincula. “A impressão 3D deve ser mais rápida – entre 30 e 70% de economia de tempo – e também custar potencialmente menos.”

O laboratório de Advincula no Instituto de Materiais Avançados e Manufatura da UT vai além da impressão 3D de formas como ossos ou até mesmo andaimes; está projetando e imprimindo em 3D tendões que podem fixar osso ao músculo e testando o movimento e as propriedades mecânicas desses tendões.

“Quando projetamos tendões, eles precisam ter a flexibilidade dos tendões e a durabilidade dos ossos”, disse ele.

A implantação de membros protéticos pode restaurar a sensação e a função

Os tendões impressos em 3D no laboratório de Advincula complementam o trabalho que Dustin Crouch está fazendo em endopróteses impressas em 3D em seu Laboratório de Assistência de Membros Superiores na Tickle College of Engineering.

“Estamos testando o conceito de um membro protético que pode ser completamente implantado dentro do corpo do paciente”, disse Crouch, professor associado de engenharia biomédica. “Isso permitirá que alguns dos músculos restantes do membro residual sejam fisicamente fixados à prótese de uma forma anatomicamente realista”.

O conceito, conhecido como cinoplastia, foi testado após a Segunda Guerra Mundial com veteranos amputados, observou Crouch. As soluções naquela época eram desajeitadas e pouco naturais, como encaixar uma alavanca em um músculo para operar um membro artificial externo. Entre o desconforto do cabo e a limitação da amplitude de movimento, a cinoplastia nunca foi amplamente adotada.

O objetivo de Crouch é permitir que o paciente mova seu próprio membro implantando a prótese, fixando-a aos músculos com tendões e cobrindo-a com pele.

“A vantagem aqui é que a prótese está no corpo do paciente”, disse Crouch. “Algumas sensações poderiam ser restauradas com a própria pele – sensações como pressão e temperatura – mas o interessante é que, ao colocar próteses nos músculos, os pacientes podem sentir seus membros se movendo e sentir que o dispositivo faz parte de seu corpo.

“Estudos mostram que entre 30 e 40% dos amputados vão adquirir uma prótese e abandoná-la por ser muito pesada ou desconfortável”, acrescentou. “Esperamos que nossa tecnologia possa melhorar dramaticamente a vida dos pacientes e permitir que eles sintam que estão com seus corpos de volta”.

Garantir que as células funcionem bem com biomateriais

Quer se trate de uma tecnologia moldada, como andaimes, ou de uma tecnologia impressa em 3D, os investigadores precisam de saber como as células vão reagir a estes materiais estranhos – e é aí que entra a experiência de Madhu Dhar.

Dhar, diretor do Laboratório de Regeneração de Tecidos da Faculdade de Medicina Veterinária, usa tecido adulto – células-tronco derivadas de adultos a partir de tecido descartado, como gordura descartada durante lipoaspiração e procedimentos gástricos – para estudar as propriedades das células e testar como elas se comportam quando introduzidas. biomateriais.

“Se eu conseguir entender a célula, tudo se encaixará”, disse Dhar, biólogo molecular e celular que se concentra no uso de terapias baseadas em células para o tratamento de doenças. “Começamos em uma placa de Petri. De que tipo de alimento as células gostam? Como podemos mantê-las felizes e saudáveis? Se pudermos manter uma célula feliz, ela fará seu trabalho no corpo.”

Depois que Dhar e seus alunos estudarem as propriedades de uma célula, é hora de apresentar vários biomateriais que podem ser impressos em 3D diretamente na Faculdade de Medicina Veterinária. Quer se trate de um osso, cartilagem ou nervo impresso em 3D, o material deve ser compatível com a célula e desencadear uma resposta saudável e ideal.

“Nosso objetivo é ajudar a curar tudo, desde uma simples fratura até uma lesão mais devastadora, e essas são as ferramentas necessárias para chegarmos lá”, disse Dhar, observando que seu laboratório possui três bioimpressoras que podem imprimir estruturas específicas para o tecido que está sendo estudado. .

“É muito sinérgico trabalhar com cientistas de materiais como o Dr. Advincula, engenheiros biomédicos como o Dr. Crouch e cirurgiões veterinários como o Dr. Anderson para levar nossa pesquisa coletiva da bancada para a cama para a medicina humana.”