Cartilagem do joelho feita em laboratório bate a coisa real

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Uma nova cartilagem de joelho feita em laboratório é 26% mais forte do que a cartilagem natural em tensão, algo como suspender sete pianos de cauda em um chaveiro e 66% mais forte em compressão – o que seria como estacionar um carro em um selo postal. (Crédito: Daniel Thiele/Unsplash)

Um novo substituto da cartilagem do joelho à base de gel é mais forte e mais durável do que o real, de acordo com um novo estudo.

Analgésicos de venda livre, fisioterapia, injeções de esteróides – algumas pessoas tentaram de tudo e ainda estão lidando com dor no joelho.

Muitas vezes a dor no joelho vem do desgaste progressivo do cartilagem conhecida como osteoartrite, que afeta quase um em cada seis adultos – 867 milhões de pessoas – em todo o mundo. Para aqueles que desejam evitar a substituição de toda a articulação do joelho, a nova cartilagem poderá em breve ajudar os pacientes a se reerguerem rapidamente, sem dor e permanecerem assim.

Conforme relatado na revista Materiais funcionais avançados, testes mecânicos revelam que o hidrogel - um material feito de polímeros que absorvem água - pode ser pressionado e puxado com mais força do que a cartilagem natural e é três vezes mais resistente ao desgaste.

Implantes feitos com o material estão sendo desenvolvidos pela Sparta Biomedical e testados em ovelhas. Os pesquisadores estão se preparando para iniciar os ensaios clínicos em humanos no próximo ano.

“Se tudo correr conforme o planejado, o ensaio clínico deve começar em abril de 2023”, diz Benjamin Wiley, professor de química da Duke University que liderou a pesquisa junto com Ken Gall, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais.

Cartilagem natural do joelho

Para fazer esse material, a equipe pegou folhas finas de fibras de celulose e as infundiu com um polímero chamado álcool polivinílico – uma gosma viscosa que consiste em cadeias fibrosas de moléculas repetidas – para formar um gel.

As fibras de celulose agem como o fibras de colágeno na cartilagem natural, diz Wiley - eles dão força ao gel quando esticados. O álcool polivinílico ajuda a retornar à sua forma original. O resultado é um material semelhante a gelatina, 60% de água, que é flexível, mas surpreendentemente forte.

A cartilagem natural pode resistir a colossais 5,800 a 8,500 libras por polegada de puxão e esmagamento, respectivamente, antes de atingir seu ponto de ruptura. A versão feita em laboratório é o primeiro hidrogel que pode suportar ainda mais. É 26% mais forte do que a cartilagem natural em tensão, algo como suspender sete pianos de cauda em um chaveiro e 66% mais forte em compressão – o que seria como estacionar um carro em um selo postal.


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“É realmente fora dos gráficos em termos de força do hidrogel”, diz Wiley.

A equipe já produziu hidrogéis com propriedades notáveis. Em 2020, eles relataram que haviam criado o primeiro hidrogel forte o suficiente para os joelhos, que sentem a força de duas a três vezes o peso corporal a cada passo.

Colocar o gel em uso prático como substituto da cartilagem, no entanto, apresentou desafios adicionais de design. Uma era atingir os limites superiores da força da cartilagem. Atividades como pular, saltar ou subir escadas colocam cerca de 10 megapascais de pressão na cartilagem do joelho, ou cerca de 1,400 libras por polegada quadrada. Mas o tecido pode levar até quatro vezes isso antes de quebrar. “Sabíamos que havia espaço para melhorias”, diz Wiley.

Implantes de joelho não duram para sempre

No passado, os pesquisadores que tentavam criar hidrogéis mais fortes usavam um processo de congelamento-descongelamento para produzir cristais dentro do gel, que expulsavam a água e ajudavam a manter as cadeias poliméricas unidas. No novo estudo, em vez de congelar e descongelar o hidrogel, os pesquisadores usaram um tratamento térmico chamado recozimento para persuadir ainda mais cristais a se formarem dentro da rede de polímeros.

Ao aumentar o conteúdo de cristal, os pesquisadores foram capazes de produzir um gel que pode suportar cinco vezes mais estresse de puxar e quase o dobro de espremer em relação aos métodos de congelamento-descongelamento. A resistência aprimorada do gel recozido também ajudou a resolver um segundo desafio de projeto: prendê-lo à junta e mantê-lo no lugar.

A cartilagem forma uma camada fina que cobre as extremidades dos ossos para que eles não batam uns contra os outros. Estudos anteriores não foram capazes de anexar hidrogéis diretamente ao osso ou cartilagem com força suficiente para evitar que se soltem ou deslizem. Então, a equipe Duke veio com uma abordagem diferente.

Seu método de fixação envolve cimentar e prender o hidrogel a um titânio base. Este é então pressionado e ancorado em um buraco onde a cartilagem danificada costumava estar. Testes mostram que o design fica 68% mais firme do que a cartilagem natural no osso.

“Outra preocupação com os implantes de joelho é o desgaste ao longo do tempo, tanto do próprio implante quanto da cartilagem oposta”, diz Wiley.

'Uma mudança dramática no tratamento'

Outros pesquisadores tentaram substituir a cartilagem danificada por implantes de joelho feitos de metal ou polietileno, mas como esses materiais são mais rígidos que a cartilagem, eles podem irritar outras partes do joelho.

Em testes de desgaste, os pesquisadores pegaram cartilagem artificial e cartilagem natural e as giraram uma contra a outra um milhão de vezes, com uma pressão semelhante à que o joelho experimenta durante a caminhada.

Usando uma técnica de varredura de raios-X de alta resolução chamada microtomografia computadorizada (micro-CT), os cientistas descobriram que a superfície de sua versão feita em laboratório aguentou três vezes melhor do que a real. No entanto, como o hidrogel imita a natureza suave, escorregadia e almofadada da cartilagem real, ele protege outras superfícies articulares do atrito à medida que deslizam contra o implante.

A cartilagem natural é um material notavelmente durável. Mas uma vez danificado, tem capacidade limitada de curar porque não possui vasos sanguíneos, diz Wiley.

Nos Estados Unidos, osteoartrite é duas vezes mais comum hoje do que era há um século. A cirurgia é uma opção quando os tratamentos conservadores falham. Ao longo das décadas, os cirurgiões desenvolveram uma série de abordagens minimamente invasivas, como remover cartilagem solta ou fazer orifícios para estimular um novo crescimento ou transplantar cartilagem saudável de um doador. Mas todos esses métodos exigem meses de reabilitação, e uma porcentagem deles falha com o tempo.

Geralmente considerada um último recurso, a substituição total do joelho é uma maneira comprovada de aliviar a dor. Mas as articulações artificiais também não duram para sempre. Particularmente para pacientes mais jovens que desejam evitar grandes cirurgias para um dispositivo que só precisará ser substituído novamente no futuro, diz Wiley, “simplesmente não há opções muito boas por aí”.

“Acho que esta será uma mudança dramática no tratamento para as pessoas nesta fase”, diz Wiley.

A Sparta Biomedical e o Shared Materials Instrumentation Facility da Duke University financiaram o trabalho. Wiley e Gall são acionistas da Sparta Biomedical.

Fonte: Duke University


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