biomaterials and scaffolds
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Apresentação do artigo Biomaterials and scaffolds for tissue engineering (O'Brien, 2011)TRANSCRIPT
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, [email protected] 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