MIRIAN
MICHELLE MACHADO DE PAULA
A engenharia de tecidos é um campo interdisciplinar que
consiste em desenvolver novos materiais a fim de restaurar, manter ou
substituir órgãos e tecidos danificados (1, 2). Diante de um sistema biológico
sensível e complexo como o corpo humano, as necessidades de materiais que podem
ser usadas como plataformas para engenharia de tecidos são diversificados e
extremamente desafiadores onde a escolha do biomaterial é fundamental para
permitir que as células se comportem de maneira necessária para formação
adequada dos tecidos (1, 3). Portanto, novos
materiais que dispõem de melhores propriedades químicas, físicas e mecânicas do
que as utilizadas na atualidade são de grande interesse no campo da engenharia
de tecidos (3, 4). A FIG. 1 ilustra as vantagens e desvantagens dos
principais materiais utilizados como implantes nas ultimas décadas e o mais
recente: biomateriais poliméricos (5).
Figura
1. Vantagens
e desvantagens dos principais materiais utilizados em implantes.
Vários requisitos têm sido identificados essenciais na
produção de plataformas biológicas na engenharia de tecidos onde atualmente
direciona seus esforços na obtenção de estruturas tridimensionais (3D), que
possam mimetizar o ambiente in vivo, no qual oferecem um efeito
significativo na proliferação e diferenciação celular (6, 7).
Estruturas 3D devem apresentar uma porosidade
interconectada, no qual irá fornecer um modelo apropriado para fixação e desenvolvimento das células do
tecido, pois sua estrutura determina o transporte de nutrientes, metabólitos e
moléculas reguladoras para as células e alcançarem uma
conformação semelhante à que têm nos órgãos e tecidos do organismo (2, 8).
As nanofibras são um dos
materiais que mais se assemelham às estruturas fibrosas da matriz extracelular
(MEC) nativa e podem ser sintetizadas a partir de vários tipos de polímeros
naturais como proteínas de MEC (colágeno, elastina e fibronectina) e polímeros
sintéticos tais como poli ε-caprolactona (PCL) e ácido poli láctico-glicólico
(PLGA) e poli acetato de polivinila (PVA) entre outros (9, 10).
Existem várias técnicas para a produção de fibras, entre
eles destacam-se a eletrofiação e a rotofiação devido sua versatilidade (11, 12).
Eletrofiação é considerada simples, de baixo custo e
versátil gerando estruturas fibrosas em escala nanométrica, que biomimetizam à
MEC nativa, o que tem atraído grande atenção na sua aplicabilidade (13, 14).
O sistema de eletrofiação utiliza-se uma fonte de alta tensão, bomba de
infusão, uma seringa de vidro, agulha e uma placa coletora. A fonte de alta
tensão é responsável por aplicar uma diferença de potencial entre a ponta da
agulha metálica e um alvo metálico aterrado para que seja guiado o fluxo do
polímero eletrofiado. Resumindo essa técnica utiliza fonte de alta tensão para
transformar solução polimérica em forma de fibras (11). A FIG. 2 ilustra o
processo de eletrofiação.
As
fibras começam a se formar quando as forças eletrostáticas superam a tensão superficial
da gota da solução, com o aumento da tensão elétrica, a superfície da gota se
alonga formando uma estrutura de formato cônico no qual se
denomina cone de Taylor (16), como demonstra na
FIG 3. Segundo Feng 2002 o alongamento
relevante da solução ocorre no
início da zona de transição, onde já se encontra pré-estirado em que o diâmetro
inicial do jato é reduzido a um diâmetro menor (17). Estima-se que a taxa de estiramento nesta etapa
encontra-se na ordem de 102-103 s–1 (18). Salienta-se
que a redução do diâmetro das fibras e a rápida evaporação do solvente são
favorecidas com o aumento da tensão aplicada no qual intensifica a força
de repulsão eletrostática sobre o jato de solução polimérica (19).
Alterações
na geometria do jato são decorrentes da elevada tensão longitudinal à qual a
solução é submetida e conseqüentemente induz a uma instabilidade do jato devido
à flexão (16, 17). Como resultado de instabilidades
viscoelásticas e elétricas, o jato polimérico carregado eletricamente se
subdivide em centenas de filamentos ou fibrilas, enquanto o solvente evapora dando origem a mantas fibrosas
que se deposita no coletor (eletrodo aterrado) (13, 19).
Uma eletrofiação
bem sucedida exige diversos parâmetros relacionados com as propriedades físico-químicas
dos polímeros e dos solventes, pois influenciam na morfologia
das nanofibras. Portanto, os principais parâmetros da solução são: concentração
da solução polimérica, tensão superficial, densidade, viscosidade,
condutividade elétrica, tipo de solvente e sua velocidade de evaporação. Além
disso, os critérios do processo de eletrofiação também interferem na produção e
morfologia das fibras, os parâmetros são: tensão aplicada, a vazão, diâmetro da
agulha e a distância da ponta da agulha à placa coletora (20-22).
Se estes parâmetros
estabelecidos não forem adequados pode ocorrer à formação de contas (“beads”) que são falhas nas estruturas
das fibras, uma das características indesejadas na
engenharia de tecidos, pois podem apresentar resíduos de solvente sendo
altamente tóxico ao meio biológico (14).
Apesar da versatilidade da
técnica de eletrofiação, no entanto existem algumas desvantagens: o uso de alta
voltagem no qual depende a condutividade da solução limitando a utilização de
polímeros e solventes, e baixa taxa de produção (23).
Com a necessidade de superar tais obstáculos, novas técnicas estão
sendo desenvolvidas. O novo método da rotofiação foi recentemente
desenvolvido e apresentam mecanismo mais simples para a produção de micro
e nanofibras, através da rotação em alta velocidade. O sistema de rotofiação
consiste: (a) de um reservatório com dois orifícios opostos em suas paredes,
acoplado a um motor com velocidade de rotação ajustável (3000
a 30000 rpm); (b) sistema
coletor; (c) reservatório com uma seringa e agulha e (d) sistema de alimentação
constante da solução polimérica injetada com um sistema de bomba peristáltica
instalada (controlada por uma fonte de tensão) (12). FIG 4. Ilustra o processo de rotofiação.
Figura
4. Processo
de rotofiação.
As
fibras são formadas pela combinação de pressão hidrostática e de pressão
centrífuga, ao atingir uma velocidade de rotação elevada à
solução polimérica é expulsa através dos orifícios de vazão. A ação centrífuga
alonga o jato polimérico em direção a parede do coletor, e devido à inércia da
rotação o jato faz uma trajetória curvilínea. A evaporação do solvente ocorre
na trajetória dos capilares do orifício ao coletor formando as fibras. A figura
5 representa o sistema ampliado da produção de fibras no processo de
rotofiação.
Figura
5. Sistema
de produção de fibras pela técnica de rotofiação, visão ampliada: (i) iniciação
do jato, (ii) extensão do jato (iii) evaporação do solvente. (Badrossamay et
al, 2010 (12)).
Para uma rotofiação bem sucedida é necessário
identificar os parâmetros adequados. Com isso é possível a produção de
materiais com diferentes diâmetros e morfologia. Dentre os parâmetros mais
importantes estão à escolha do solvente (alta volatilidade); concentração da
solução e velocidade de rotação do equipamento. A formação de beads e fibras
com diâmetros maiores podem ocorrer por conta os parâmetros escolhidos, por
isso a importância de um estudo sistemático de identificação e do controle
destes. Por conta da simplicidade a rotofiação é mais atrativo em comparação
com outros métodos (12).
Outra vantagem da
rotofiação sobre o processo de eletrofiação é a alta taxa de produção em um
curto período de tempo, além disso, as fibras produzidas apresentam poros em
suas estruturas, esta característica é considerada promissora na aplicabilidade
biomédica, pois permite uma melhor interação com organismo biológico. No
entanto, à medida que a porosidade aumenta ocorre à diminuição da propriedade
mecânica do material o que o desfavorece (12, 24, 25).
A perspectiva de obter
melhores condições na produção de fibras poliméricas por uma técnica
alternativa, além de amplo conhecimento de suas propriedades pode abrir novas
possibilidades encorajando o desenvolvimento de plataformas biológicas na área
da engenharia te tecido.
Referências
13. Bhardwaj
N, Kundu SC. Electrospinning: a fascinating fiber fabrication technique. Biotechnology
advances. 2010;28(3):325-47.
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