Nome do Projeto
Impressão de Materiais Poliméricos para o Tratamento de Lesões da Pele
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/02/2022 - 31/01/2025
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
A pele é o maior órgão do corpo humano sendo esse responsável pelo envolvimento do corpo e delimitando seu limite com o meio externo. Ela exerce sobretudo uma série de funções como, por exemplo, regulação térmica, defesa orgânica, controle de fluxo sanguíneo, proteção contra diversos agentes do meio ambiente e funções sensoriais. Ao atuar como primeira linha de defesa do corpo humano, a pele está constantemente exposta a diferentes riscos. Milhares de pacientes são acometidos anualmente com diferentes tipos de lesões de pele. De modo geral, essas lesões são causadas por acidentes (cortes, perfurações ou queimaduras) ou doenças (dermatites, câncer, acne, entre outras). Uma vez danificada, a pele pode se autorregenerar sendo que esse processo está intimamente ligado a vários fatores biológicos que variam de paciente para paciente e, também, à severidade do dano. Em muitos dos casos, a regeneração pode ser ineficiente ou pode até não ocorrer. Dentre as estratégias adotas pelas ciências biomédica e de materiais para tratar esses casos destaca-se o desenvolvimento e uso de materiais poliméricos, os quais podem atuar como curativos, revestimentos e enxertos. Comparativamente, curativos preparados a partir de polímeros se destacam em relação aos curativos convencionais (bandagens feitas de algodão, por exemplo) por possibilitarem o controle de agentes infecciosos, eliminarem o excesso de exsudato mantendo ao mesmo tempo a região tratada úmida, reduzirem a aderência física e assegurarem a permeabilidade a gases. Todas essas características são muito úteis no tratamento de doenças crônicas da pele. De modo geral, a efetividade do material polimérico nesse tipo de aplicação biomédica se deve a uma sinergia entre o(s) polímero(s) utilizado e a técnica de fabricação utilizada. Nesse sentido, o presente Projeto de Pesquisa propõe utilizar a técnica de impressão 3D utilizando biotintas (do inglês, bioinks) constituídas de polissacarídeos (alginato, celulose, amido, etc.) para a fabricação de materiais potencialmente aplicáveis no tratamento de lesões da pele. A impressão 3D oferece novas possibilidades em termos de design e complexidade de materiais as quais não podem ser atingidas por metodologias tradicionais de fabricação. Ainda, o uso de polissacarídeos para o preparo de biotintas (usadas no processo de impressão) pode conferir ao material final propriedades interessantes como biocompatibilidade, biodegradabilidade e ausência de toxicidade, as quais são fundamentais para aplicações biomédicas.

Objetivo Geral

O presente Projeto de Pesquisa, o qual tem caráter científico e tecnológico, tem por objetivo principal fabricar materiais poliméricos utilizando impressora 3D, caracterizá-los e testá-los no tratamento de lesões e doenças de pele. Esses materiais serão impressos utilizando biotintas formuladas a partir de polissacarídeos (amido, celulose, quitosana e pectina), de seus derivados (carboximetil amido, carboximetil celulose, entre outros) e da mistura desses com outros materiais (polímeros sintéticos ou aditivos). Serão também impressos materiais poliméricos embebidos com compostos bioativos como, por exemplo, fármacos, agentes bactericidas e antioxidantes. A priori, os materiais (filmes e membranas principalmente) serão fabricados com designs e formatos de complexidade variada, podendo esses aspectos ser alterados de acordo com a finalidade ou com as propriedades finais do material fabricado. A caracterização dos materiais obtidos levará em consideração os aspectos físico-químicos, estruturais, morfológicos e mecânicos dos mesmos. Ainda, os materiais contendo compostos bioativos serão caracterizados quanto às suas propriedades específicas por meio de ensaios in vitro em condições simuladas. Já a caracterização biológica dos materiais fabricados será realizada a partir de experimentos realizados em parceria com outros grupos de pesquisa do Programa de Pós Graduação em Química (PPGQ/UFPel) e da própria UFPel. Espera-se assim propiciar a ampliação do caráter interdisciplinar do Projeto, fortalecendo e qualificando os trabalhos desenvolvidos pelo Grupo de Pesquisa LaCoPol, pelos diferentes grupos de pesquisa de nossa instituição e do PPGQ. Tem-se por objetivo também incentivar e contribuir para a formação de profissionais qualificados nos diferentes níveis de instrução (graduação e pós-graduação). Por fim, acredita-se que os novos materiais poliméricos impressos a partir das biotintas preparadas com os polissacarídeos anteriormente mencionados possam ser uma alternativa eficiente e de menor custo quando comparados com os filmes poliméricos comercialmente utilizados como "peles artificiais".

Justificativa

Materiais poliméricos utilizados como curativos no tratamento de lesões ou doenças de pele são conhecidos na literatura como "peles artificiais". Esse tipo de biomaterial tem sido utilizado a pelo menos 50 anos e ao longo dos últimos anos tem apresentado uma evolução notória. Vale mencionar que o termo biomaterial denota um material artificial desenvolvido para uso em áreas da saúde e que tem como função tratar ou substituir totalmente ou parcialmente qualquer tecido, órgão ou organismo. De modo geral, biomateriais classificados como "peles artificiais" devem ser seguras do ponto de vista biológico (biocompatíveis), mecanicamente estáveis, biodegradáveis e, ainda, devem mimetizar o microambiente biológico necessário para regeneração do tecido. Inúmeros polímeros que não são comuns à composição da pele como, por exemplo, poli(álcool vinílico), poli(etileno glicol), poliuretanas, poliésteres e polissacarídeos são empregados na síntese destes materiais. Curativos poliméricos na forma de filmes, espumas, hidrogéis e hidrocolóides têm sido amplamente descritos na literatura e muitos desses já são vendidos comercialmente.
O uso de polissacarídeos (amido, celulose, quitosana, alginato, entre outros) e de seus derivados na síntese de filmes poliméricos aplicáveis no tratamento de doenças e lesões da pele tem se mostrado extremamente vantajoso em vários sentidos. Os polissacarídeos de modo geral apresentam biocompatibilidade, biodegradabilidade e baixa toxicidade. Além disso, estes são obtidos com maior facilidade e menor custo do que os polímeros sintéticos. Todas essas atraentes características estimulam o desenvolvimento de novos materiais a base de polissacarídeos para potencial aplicação em usos médicos e biotecnológicos.
Materiais poliméricos produzidos a partir de polissacarídeos ou da mistura de polissacarídeos com polímeros sintéticos são de particular importância, uma vez que esses possuem preparo relativamente simples e propriedades finais adequadas à aplicação como "peles artificiais". Dependendo das características físico-químicas dos polissacarídeos, diferentes metodologias podem ser úteis no preparo e fabricação desse tipo de biomaterial. Dentre essas metodologias, processos de manufatura aditiva, as quais incluem a impressão 3D, têm atraído cada vez mais a atenção dos pesquisadores uma vez que esta tecnologia tem inúmeras vantagens sobre os processos tradicionais. Em termos gerais, a impressão 3D permite a fabricação de objetos com formato e geometrias pré-definidas por meio da deposição de um material em uma superfície ou substrato utilizando para isso um injetor acoplado a um cabeçote de impressão. Comparativamente a outras tecnologias tradicionais utilizadas no preparo de biomateriais como "peles artificiais", a impressão 3D possibilita a fabricação de materiais com estruturas mais complexas e customizadas podendo esses ser compostos de um ou mais componentes. Nesse sentido, diferentes polissacarídeos (amido, celulose, alginato, pectina, quitosana, entre outros) são estudados e utilizados para o preparo de biotintas para a impressão desse tipo material.
Considerando que o processo de regeneração da pele é um processo biológico complexo, cheio de etapas e que depende das características físicas e biológicas do paciente são de suma importância que sejam investigadas novas formulações de biotintas à base de polissacarídeos para que os biomateriais fabricados por impressão 3D tenham respostas biológicas adequadas. Tais informações permitirão fabricar novos biomateriais (filmes e membranas principalmente) com maior eficiência terapêutica quando aplicados como "peles artificiais". Levando em conta todos esses aspectos, a pesquisa e o desenvolvimento de novos materiais impressos utilizando para isso diferentes polissacarídeos mostra-se de substancial importância científica e tecnológica para área dos biomateriais. Do mesmo modo, o caráter interdisciplinar deste Projeto de Pesquisa contribui de forma direta em amplos aspectos da ciência, da tecnologia e da inovação. A investigação integrada entre as diferentes áreas do conhecimento abordadas aqui é de é importante uma vez que essa gera novas abordagens teóricas e metodológicas bem como uma visão completa do material desenvolvido (concepção, caracterização e aplicação).
A execução desse Projeto de Pesquisa também contribuirá de forma direta na formação de recursos humanos qualificados, na equiparação e operacionalização do grupo LaCoPol e na qualificação das nossas atividades de pesquisa. Tais ações resultarão no aumento da qualidade das publicações e nos processos desenvolvidos. De modo indireto, o intercambio de conhecimento entre as diferentes áreas do conhecimento melhorará a qualidade da formação proporcionada pelos grupos de pesquisa envolvidos e fortalecerá nossa IES.

Metodologia

- Seleção dos polissacarídeos e preparo das biotintas:
A escolha do tipo de polissacarídeo bem como a incorporação ou não de um composto bioativo na matriz do filme será feita levando em consideração as características do tipo de aplicação na qual o filme será empregado. Estudos prévios serão realizados nesse sentido, os quais também apontarão a necessidade ou não da modificação química da estrutura dos polissacarídeos. Por exemplo, o derivado catiônico do amido é solúvel em meio aquoso a temperatura ambiente, característica essa não observada no amido. Ainda, conforme a necessidade, polímeros sintéticos poderão ser utilizados para formar misturas com os polissacarídeos. Tanto a modificação química quanto a mistura com outros polímeros geralmente é realizada para aumentar alguma propriedade reológica das biotintas, aumento a printabilidade, ou para melhorar a propriedade mecânica do material fabricado.
Com relação às biotintas aplicáveis na impressão dos materiais, as mesmas serão preparadas em meio aquoso ou solução tampão e parâmetros como concentração do polímero e viscosidade da solução serão considerados. De modo geral, esses dois parâmetros são fundamentais para os ajustes do processo de impressão e para o sucesso do mesmo.

- Fabricação dos materiais impressos:
A impressão dos materiais poliméricos será realizada em um equipamento de impressão 3D modelo Genesis II (3DBS, Brasil) o qual foi adquirida pelo grupo LaCoPol no inicio de 2021. Os parâmetros de impressão e o controle da impressora serão definidos utilizando o software
Pronterface, esse já instalado no computador ligado ao equipamento. Dentre os parâmetros de impressão que serão controlados e otimizados temos: temperatura do cabeçote de impressão; temperatura da superfície de deposição do material impresso; pressão de impressão; velocidade de impressão; modo de impressão (via única ou dupla) e uso métodos de reticulação. Esses parâmetros serão avaliados de considerando as características da biotinta utilizada e das características do material fabricado (forma e geometria). Especificamente com relação à reticulação, devido à baixa viscosidade e estabilidade mecânica de algumas biotintas, a estrutura dos materiais impressão pode ser comprometida sendo, portanto, necessário reticular os mesmos. Dentre os métodos de reticulação possíveis temos os métodos físicos (uso de temperatura, luz UV, etc.) e químicos (uso de agentes de reticulação, por exemplo). A escolha dos mais adequado será feita considerando aspectos do material final e do tipo de aplicação. Após a fabricação dos materiais impressos, esses serão secos em estufa ou por liofilização e, então, encaminhados para caracterização.

- Técnicas de caracterização:
A caracterização das propriedades físico-químicas, mecânica e morfológica dos polímeros utilizados, de seus derivados e dos materiais fabricados será realizada utilizando diferentes técnicas (por exemplo, espectroscopia na região do infravermelho (FTIR); espectroscopia magnética nuclear (RMN); difração de raios-X (XRD); análises térmicas (DSC e TGA); microscopia eletrônica de varredura e transmissão (MEV e TEM)), as quais estão disponíveis na Central de Análises do CCQFA, na UFPel e em outras IES do Rio Grande do Sul. Além disso, outras propriedades inerentes aos filmes (por exemplo, capacidade de absorção e retenção de água, biodegradabilidade, taxa de liberação de compostos bioativos encapsulados, etc.) serão investigadas por experimentos in vitro realizadas no grupo LaCoPol. Análises biológicas in vitro serão realizadas em parceria com outros grupos de pesquisa da UFPel.

- Ensaios de Aplicação:
Ensaios de aplicação e a atuação dos materiais poliméricos impressos como "peles artificiais" serão testadas em parceria com o grupo de pesquisa Laboratório de Pesquisa em Farmacologia Bioquímica (LaFarBio/UFPel), o qual possui reconhecida experiência no trato deste tipo de material e no desenvolvimento de metodologias para isso. Os grupos LaCoPol e LaFarBio têm tido intensa colaboração no desenvolvimento de novos biomateriais conforme demonstrado pelos numerosos estudos publicados em colaboração.

Indicadores, Metas e Resultados

Levando em consideração todos os aspectos abordados por este Projeto de Pesquisa espera-se atingir os seguintes resultados ao final do mesmo:
- Obter novos materiais poliméricos impressos aplicáveis como biomateriais e "peles artificiais";
- Fabricar biomateriais (filmes e membranas principalmente) com propriedades físico-químicas e biológicas compatíveis com biomateriais disponíveis comercialmente para o tratamento de lesões da pele;
- Ter novos conhecimentos sobre o preparo de biotintas e processo de impressão 3D;
- Promover ações interdisciplinares envolvendo diferentes áreas da ciência;
- Incentivar e divulgar as atividades de pesquisa na área de Físico-Química do CCQFA e PPGQ da UFPel;
- Contribuir na formação recursos humanos qualificados em amplo aspecto (graduação e pós-graduação);
- Fortalecer parcerias com diferentes grupos de pesquisas (da UFPel e de outras IES do Rio Grande do Sul);
- Aprimorar as condições de trabalho do grupo LaCoPol;
- Divulgar os resultados obtidos através de publicações de artigos científicos em revistas de alto fator de impacto e através de comunicações em eventos científicos nacionais e internacionais.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ANDRE FRANCISCO PIVATO BIAJOLI1
ANDRE RICARDO FAJARDO4
Andressa Baptista Nörnberg
ETHEL ANTUNES WILHELM1
HENRIQUE PERES DA MOTA

Fontes Financiadoras

Sigla / NomeValorAdministrador
FAPERGS / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado Rio Grande do SulR$ 30.250,00Coordenador

Plano de Aplicação de Despesas

DescriçãoValor
339030 - Material de ConsumoR$ 5.000,00
449052 - Equipamentos e Material PermanenteR$ 25.250,00

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