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SARCOMAS E MESENQUIMOPATIAS DOENÇAS PARENQUIMATOSAS.
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A química dos polímeros
a serviço da medicina
Luiz Henrique Catalani
Laboratório de Biomateriais Poliméricos
Instituto de Química - USP
Biomateriais é uma idéia antiga….
1. Esqueletos do período neolítico 32.000 anos, revelam
que já se conhecia a técnica de sutura.
2. Ouro foi usado como reparo dental por chineses,
astecas e romanos a até 2000 atrás.
3. Evidências de implantes dentários em múmias datam
de 600 AC
4. Já em 1775, ferro e latão foram eram usados para
reparo de fêmur fraturado.
5. O primeiro olho de vidro foi produzido em 1832 pelo
vidreiro Ludwig Müller-Uri em Lauscha, Alemanha.
6. Indígenas da América central e África utilizavam
pinças de formigas para costura de ferimentos.
7. George Washington (1732-1799) tinha dentes de
marfim.
O que são biomateriais
“material intended to interface with biological
systems to evaluate, treat, augment or replace any
tissue, organ or function of the body”
ESB Consensus Conference II
Virtualmente todo indivíduo terá
contato com biomateriais por
algum tempo durante sua vida.
desempenho funcional
vs
biocompatibilidade
Biocompatibilidade
É a habilidade do material de atuar com uma
resposta apropriada do hospedeiro em uma
aplicação específica.
A interação de contato do biomaterial com o
ambiente biológico ocorre na interface do
material. A biocompatibilidade será
determinada pelas interações que ocorrem
nesta interface.
Onde a célula faz a ligação
(ancoragem) dependerá das
propriedades específicas da
área.
http://www.weizmann.ac.il/Structural_Biology/faculty_pages/Addadi/
O ambiente “in vivo” não é estático
Um dispositivo efetivo deve ser fabricado de um
material que não desordene o processo
metaestável nem a performance do dispositivo.
A vida não é uma condição estável.
É um processo dinâmico metaestável
constantemente trocando energia e material com o
mundo externo para produzir trabalho.
Ciência dos biomateriais
Ação
Identificação da necessidade
Desenho do dispositivo
Síntese do material
Fabricação
Esterilização e embalagem
Regulamentação
Uso clínico
Análise do explante
Facilitador
Teste do material
Teste do dispositivo
Desenhista industrial
Bioengenheiro
Advogado especialista
Patologista
Inventor
Químico (polímeros,
metal, cerâmica, etc)
Mecânico
Engenheiro
Médico/dentista/oftalmologista
Idéia
Paciente
Aplicações
Sistema esquelético
Sistema cardiovascular
Sistema sensorial Dentística e
periodontia
Tecidos macios
Biomateriais
Esquelético Próteses de juntas
(joelho, quadril, etc)
Ti, liga Ti-Al-V,
aço inox, polietileno
Fixação de fraturas
Liga Co-Cr, aço inox
Cimento ósseo
PMMA
Ligamentos e tendões
Teflon e dracon
Discos intervertebrais
Ti, aço inox, teflon
Biomateriais
Lente intraocular
Hidrogel, PMMA,
borracha de silicone
Sensorial
Prótese do ouvido médio
PMMA, aço inox
Bioglass, Proplast
Duto lacrimal
PMMA
Prótese ocular
Teflon expandido,
PGMA
Biomateriais
Tecidos
Suporte para
pele artificial
Colágeno, hidrogel
poli(ácido lático)
Prótese mamária
Gel e borracha de silicone
Curativos
PU, hidrogéis de
PEG, PVP, CMCf
Biomateriais
Cardiovascular
Prótese vascular
Dacron, teflon,
poliuretano
Válvula cardíaca
Teflon expandido,
dracon, aço inox
Catéter
Borracha de silicone,
teflon, poliuretano
Coração artificial
Poliuretano, aço inox
Stents
Aço inox, NiTiNOL
coberto de teflon
Biomateriais
Dentística e
periodontia
Implante endósteo
Ti, alumina
fosfato de cálcio
Restaurações dentárias
compósitos a base de
bis-acrilatos reticulados
Implante subperiósteo
Liga Co-Cr-Mo (CAD/CAM)
Biomateriais
Desafios atuais
Biomateriais
Bioespecificidade
Cura e reação do
corpo-estranho
Medicina
regenerativa
Liberação
controlada
Adsorção de
proteínas
Materiais
furtivos
Engenharia
de tecidos
Classes de materiais
Biomateriais
Cerâmicas
Metais Compósitos
Polímeros
naturais
Polímeros sintéticos
Classes de materiais
Biomateriais
Polímeros
naturais
Metais Compósitos
Cerâmicas
•Alumina
•Zircônia
•Fosfato de cálcio
•Bioglass
•Formas de carbono
Polímeros sintéticos
Classes de materiais
Biomateriais
Polímeros
naturais
Polímeros sintéticos
Cerâmicas
Metais
Compósitos
•Fibras de:
carbono, vidro, Kevlar
adicionado a:
PC, PE, PP, PS, PTFE, PMMA...
•Hidroxiapatita, TCP...
Classes de materiais
Biomateriais
Polímeros
naturais
Polímeros sintéticos
Cerâmicas
Compósitos
Metais
•Aços inoxidáveis
•Titânio e ligas
•Ligas de cobalto
•Ligas com memória
de forma - NiTiNOL
Classes de materiais
Biomateriais
Polímeros sintéticos
Cerâmicas
Metais Compósitos
Polímeros naturais
•Componentes da ECM
colágeno,
glicosaminoglicanos, etc
•Carboidratos
celulose modificada
agarose, quitosana, etc
Classes de materiais
Biomateriais
Polímeros
naturais
Polímeros
sintéticos:
Cerâmicas
Metais Compósitos
•Hidrofílicos: PHEMA, PEO, PVP
PVA (hidrogéis)
•Hidrofóbicos: PE, PP, PVC, PTFE
PET, PLA (poliésteres)
Classes de materiais
Biomateriais
Cerâmicas
Metais Compósitos
Polímeros
naturais
Polímeros sintéticos
suporte para cultura
curativos
(smart dressings)
emboloterapia
estereotaxia
liberação de fármacos
células
mesenquimais,
do endotélio,
do estroma
testes celulares
leucócitos
Lab de Biomateriais Poliméricos
PET, PBT
PLLA, PGLA
PHB
PIAd
PVP quitosana
colágeno
Lab de Biomateriais Poliméricos
eletrofiação
blendas
(co) polimerização
polimerização
enzimática
microesferas membranas
nanoesferass
nanofibers
transesterificação
compósitos Ago NPs HAp, TCP
heparina
ácido hialurônico
AuoNPs
crosslinking
estruturas
lipofílicas
PET, PBT
PLLA, PGLA
PHB
PIAd
PVP quitosana
colágeno
Hidrogéis :
o que são e para que servem
• liberação controlada de fármacos
(dispositivos)
• curativos tópicos
• lentes de contato
• bioadesivos
• encapsulação celular (transplante)
• suporte para crescimento celular
(engenharia de tecidos)
• biossensores, etc.
Curativos
Leveza, qualidade não abrasiva
Permeabilidade ao oxigênio e
vapores de água
Atuam como dispositivo de
medicação tópica
Transparência, permite visualizar o
processo de cura
Impermeável a bactérias
Capacidade de absorção do
exsudato, permite manter o
ferimento limpo por mais tempo
Flexível, não inibe a fisioterapia
Adesão à pele sã e não adesão
ao ferimento, permite a troca de
curativo com menos dor
P PPH
OH H2O
H2O
, e-
, e-
P P
Foto-reticulação sem iniciador
UV 254 nm
N O
RH
NO
N OH + R
N O
Lopérgolo, Lugão, Catalani, Polymer, 44, (2003) 6217
Foto-reticulação com iniciador
UV 254 nm + H2O2
0.0 0.2 0.4 0.60
25
50
75
100
80 g/L
90 g/L
100 g/L
% d
e G
el
Dose (kJ)
P PPH
OH H2O
H2O2
h
P P
h
Fechine, Barros, Catalani, Polymer, 45, (2004) 4705
Fenton
[H2O2]
/Fe2+
% gel Fator de
intumesc
.
200 75 2100
140 62 2300
100 72 2600
80 64 2900
PI 0402081-2
Fe2+
Fe3+
H2O2
OH + -OH
Fenton térmica
0 3 6 9 12
1
2
3
4
vis
co
sid
ad
e (
cP
)
tempo (min)
Fechine, Barros, Catalani, Polymer, 45, (2004) 4705
Amostra (nm)* Q0
Nanogel
Colapsado 27 -
Nanogel
PVP-Fe(3+) 283 900
Nanogel
PVP-sem Fe(3+) 364 2000
Q0 =ws - wd
wd
»Vs ´dw
Vd ´dPVP
10 100 10000
2
4
6
8
10
12 = 27 nm
Fre
qu
en
cia
(%)
Diâmetro (nm)
10 100 10000
2
4
6
8
10
12
= 364 nm
Fre
qu
enci
a (%
)
Diâmetro (nm)
10 100 10000
2
4
6
8
10
12
= 283 nm
Fre
qü
ênci
a (%
)
Diâmetro (nm)
Nanogéis de PVP
Bueno, Cuccovia, Chaimovich, Catalani, Coll. Polym.Sci., 287, (2009) 705
15 30 450
3
6
9
Fre
qu
ên
cia
(%
)
Diâmetro (nm)
Nanogéis de PVP
Bueno, Cuccovia, Chaimovich, Catalani, Coll. Polym.Sci., 287, (2009) 705
Eletrofiação O processo de eletrofiação foi patenteado em 1934 por A. Formhals
O processo produz fibras com diâmetros entre 5 microns até dezenas de
nanômetros
Mesma escala de tamanho de células e estruturas de ocorrência em matriz
extracelular.
Possível substratos para crescimento celular e em aplicações como
curativos, liberação de fármacos e regeneração de tecidos.
Alta área específica é ideal para técnicas de filtração, absorção e
separação
A. Small Intestinal
Submucosa - Natural ECM
B. Electrospun Type I, II
Collagen and Elastin
Eletrofiação
Base coletora (alvo) serve como aterramento
Campo elétrico aplicada fica entre 0,5 e 3 kV/cm
Bomba
Solução de polímero
Capilar
Cone de
Taylor
Alvo aterrado
Filamento
Fonte de alta
tensão
Eletrofiação
O campo elétrico gera uma tensão
na solução carregada na saída do
capilar.
O jato se afila em um formato
específico chamado de cone de
Taylor
A tensão superficial no cone é
vencida impulsionando o fluido em
direção do alvo aterrado
O solvente é perdido por
evaporação e o polímero vitrifica
durante o vôo até o alvo
Ocorre um movimento de
instabilidade aerodinâmica chamado
de chicoteamento (whipping).
Uma malha de não-tecido é
coletada no alvo
Texposição = 18 ns
Foto: Shin et al, Polymer, 42, (2001) 9955
5% 10%
15% 15%
Solução de PVP/EtOH:DMF (1:1)
PVP
5%
PVP
10%
PVP
15%
Formação de
fibras
- + +
Diâmetro das
fibras
- 0,4-1,2
μm
400-
500
nm
Uniformidade
da malha
- - +
Formação de
gotas
+ - -
Condições iniciais para eletrofiação de PVP
Micrografias malhas iniciais de PVP
Malhas de PVP por eletrofiação
Fogaça, Catalani, Soft Materials, no prelo.
Comparação da quantidade
cumulativa de BSA liberada:
(▲) nanofibras de PVP – 536 nm
(●) nanofibras de PVP – 133 nm
(■) filme de PVP por evaporação
Atividade debridante
Fogaça e Catalani, Soft Materials, no prelo.
(A) Perfil de liberação de
colagenase:
membrana de fibras de
PVP – 536 nm (B) Atividade da
colagenase
Formação das AgNPs
diretamente na solução de
PVP – sem a necessidade de agente redutor;
Nanocompósito hPVP/AgNP
Pseudomonas aeruginosa
Staphylococcus aureus
Escherichia coli
Concentração de AgNP no
hidrogel (%)
Controle
0,01 0,05 0,1 0,5 1 PVP Tetraciclina
P. aeruginosa - + + + + - +
S. aureus - - + + + - +
E. coli - + + + + - +
Concentração Mínima Inibitória (experimento)
Valores de conc. mínima inibitória do hidrogel PVP/AgNP
Atividade bactericida de PVP/AgNP
Atividade fungicida
500 ppm
IM
100 ppm DCI
C. parapsilosis
Fungi Fungicidal Fungicidal amount (% w/w) Positive controls
0.005 0.01 0.025 0.1 PVP/
AgNP Micon
azole Ampho
tericin
C. albicans Imidazole - + + + - + +
4,5-DCI + + + + - + +
C. krusei Imidazole - - + + - + +
4,5-DCI + + + + - + +
C. parapsilosis Imidazole - - - + - + +
4,5-DCI - + + + - + +
100 ppm
IM
C. albicans
50 ppm DCI
C. krusei
500 ppm
IM
50 ppm DCI
NH
N
NH
NNC
NC
Eletrofiação do PBT/PET com
colágeno
Co-solução de PBT (4%) e colágeno
tipo I de tendão bovino (2%) em TFA
Catalani, Collins, Jaffe, Macromolecules, 40 (2007) 1693.
Informações da Área escaneada:
112 pontos por linha e 97 linhas por imagem,
em uma área de 15 x 13 μm, dando um
total de 10864 espectros adquiridos com
tempo de aquisição individual de 0.33
segundos.
B C
(A) Região Scaneada (B) Espectros Raman (C) Imagem Confocal; Verde – PET; Vermelho – Colágeno; Amarelo – PET + Colágeno
Microscopia Confocal Raman S4,6
A
0,5-0,75 1,25-1,5 2,0-2,25 2,75-3,00
5
10
15
20
25
30
35
% F
req
ue
ncia
Diametro (micrometro)
S4,6 antes da digestao com colagenase
S4,6 antes
Ensaio com a colagenase
0,5-0,75 1,25-1,5 2,0-2,25 2,75-3,00
5
10
15
20
25
30
35
% F
req
ue
ncia
Diametro (micrometro)
S4,6 depois da digestao com colagenase
S4,6 depois da digestão
com colagenase
0 1 2 3 4 50,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Ab
so
rba
ncia
Tempo (dias)
PET:Col
100:00
80:20 (S8,2
)
40:60 (S4,6
)
A
B
C
Ensaio de MTT 3T3-L1 (A) PET (B) S8,2 (C) S4,6
Ensaio biológico com 3T3-L1
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Ab
so
rba
ncia
Tempo (dias)
PET:Col
100:00
80:20
40:60
0 1 3 5 7 9 15
A
B
C
D
E
F
4 dias de incubação (A) PET (B) S8,2 (C) S4,6
7 dias de incubação (D) PET (E) S8,2 (F) S4,6
Ensaio biológico com HUVECs
C F
E B
A
Polímeros de fontes renováveis
OHO
HOOH
OH
OH
HO
O
OH
O
O
O**
PLLA
O
O
O**
PHB
QUÍM.
FERM.
FERM.
OHHO
HOOH
OH
OH O
O
OH
HOH
H
HO
O
O
OH
HO
O
O
OH
ISOSORBÍDEO
ÁC. SUCCÍNICO
ÁC. ITACÔNICO
QUÍM. QUÍM.
FERM.
FERM.
succinate
glutarate
adipate
suberate
sebacate
dodecanoate
0 10 20 30 40 50
Mw (kDa)
cyclohexane cyclohexane: benzene 6:1
Poliésteres derivados de isosorbídeo
Juais et al Macromolecules, 43, (2010) 10315
Copolímeros em bloco de ácido lático e
succinato de isosorbila
Casarano et al Polymer, 50, (2009) 6218
Sample
WAXD
Wc,x
(%)
Tg
(oC)
Tc
(oC)
DSC
Tm
(oC)
Hm
(J g-1)
Wc,h
(%)
PLLA 64 57 n.o. 175 54 58 (50)
PIS 56 n.o. n.o.
185-15 59 57 100 162 50 54 (56)
170-30 53 54 113 155 25 27 (31)
160-40 38 58 121 156 32 34 (40)
285-15 49 61 n.o. 164 34 37 (45)
270-30 38 58 n.o. 155 23 25 (12)
260-40 26 63 n.o. 155 1 1 (27)
3 58 n.o. n.o.
Sample a (
)
(H2O) (CH2I2)
Surface energy (mN m-1)
s sd
sp
PLLA 82 ± 2 54 ± 2 40 ± 2 33 ± 2 7 ± 2
286-14 72 ± 2 35 ± 1 53 ± 2 42 ± 2 11 ± 2
274-26 82 ± 2 22 ± 1 54 ± 2 47 ± 2 7 ± 2
264-36 82 ± 2 23 ± 2 54 ± 2 47 ± 2 7 ± 2
3 66 ± 3 18 ± 1 62 ± 3 48 ± 3 14 ± 3
Collagen 48 (lit)
Copolímeros em bloco de ácido lático e
succinato de isosorbila
Copolímeros de ácido lático e
succinato de isosorbila como biomateriais
Casarano et al Polymer, 50, (2009) 6218
Copolímeros de ácido lático e
succinato de isosorbila como biomateriais
PLLA
285-15
270-30
260-40
Casarano et al Polymer, 50, (2009) 6218
Projetos em andamento
•Produção de nanofibras alinhadas de polímeros biodegradáveis para
crescimento e regeneração de células neurais
(Daniel de Souza Alcobia – Mestrado)
•Estudo da matriz extracelular (ECM) decelularizada para o desenvolvimento
de ECMs artificiais
(Mariana Carvalho Burrows – Doutorado)
•Produção de suportes poliméricos para o crescimento de células-tronco
mesenquimais e sua aplicação em regeneração óssea
(Ricardo Bentini – Doutorado)
•Desenvolvimento de matrizes poliméricas eletrofiadas para regeneração de
membranas timpânicas perfuradas
(Ana Paula Serafini Immich – Pós-doutorado)
•O uso de matrizes poliméricas eletrofiadas e células troncos de polpa
dentária e de adipócitos na engenharia dos tecidos periodontais
(Flávia Gonçalves – Pós-doutorado)
• Alliny Naves (PD)
• Flávia Gonçalves (PD)
• Renata Fogaça (PD)
• Ana Paula Serafini Immich (PD)
• Ricardo Bentini (D)
• Mariana C. Carvalho (D)
• Daniel Alcobia (M)
• Leonardo Barizon (M)
• Daniel Franco Minatelli (IC)
• Flávia Caetano Cara (IC)
• Felipe de Miranda Barbosa (IC)
• Nathália Regina P. de Oliveira (IC)
• Mayara Sguerra (IC)
• Henrique Tadeu Fernandes (IC)
• Vitor Zamarion (D)
• Prof. Hernan Chaimovich (IQUSP)
• Prof. Iolanda Cuccovia (IQUSP)
• Prof. Henrique Toma (IQUSP)
• Prof. Koiti Araki (IQUSP)
• Prof. Denise Petri (IQUSP)
• Prof. Maria Rita P. Bueno (IBUSP)
• Prof. Célia Garcia (IBUSP)
• Prof. Ana Campa (FCF-USP
• Prof. Michael Jaffe (NJIT-USA)
• Prof. George Collins (NJIT-USA)
• Prof. Richard Gross (Poly-NYU-USA)
• Guilhermino Fechine (PD)
• Janaína A.G. Barros (PD)
• Vânia B. Bueno (D)
• Antonio J.C. Brant (D)
• Romeu Casarano (D)
• Danielle Juais (M)
Agradecimentos
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