biomateriais: aplicações e perspectivas

BIOMATERIAIS: APLICAÇÕES E PERSPECTIVAS
Profa. Dra. Rossana Mara da Silva Moreira Thiré
Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)
COPPE/Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Laboratório de Biopolímeros/ Laboratório de Bioengenharia
Rio de Janeiro, 19/08/2015
RIO
materiais
Definição
Histórico
Propriedades
Aspectos econômicos
emplo de aplicação
Engenharia tecidual
nsiderações finais
Desafios, oportunidades
IÇÃO DE BIOMATERIAIS
Qualquer substância ou mistura de substâncias, QUE NÃO DROGA, de origem natural
u sintética, que é utilizada por um dado período de tempo, como o todo ou parte de um
istema que trata, melhora ou substitui qualquer tecido, órgão ou função do corpo
umano.
The National Institute of Health Consensus Development Conference, 1982
IÇÃO DE BIOMATERIAIS
alhando...
Substituição de parte do corpo que perdeu sua função (quadril/fêmur, joelho,
coração);
Correção de patologias (lesão da medula espinhal);
Auxiliar uma função (marca-passo, “stent”);
Auxiliar a cura (sutura, veículos para liberação controlada de fármacos).
IÇÃO DE BIOMATERIAIS
ando...
positivos que entram em contato com sistemas biológicos (incluindo fluidos biológicos) usados
aplicações terapêuticas, cirúrgicas ou diagnósticas;
nstituídos por materiais sintéticos, quimicamente modificados ou naturais;
o precisam ser necessariamente manufaturados;
erentes formas: sólido, gel, pasta, emulsão, líquido, material particulado etc.
para circulação Prótese de quadril
Vávula cardíaca (porco/mecânica)
Hidrogéis
IÇÃO DE BIOMATERIAIS
s de materiais usados como biomateriais
Dispositivos de
liberação de medicamentos
Pele / cartilagem
Polímeros
Implantes oculares
Tubos de circulação sanguínea
fusos ortopédicos/
fixação
strumentos
cirúrgicos
Substituto ósseo
Metais
Biomaterais
Cerâmicas
Stents
Implantes
odontológicos
Implantes
dentários
Placas para
coluna cervical
Revestimento de
acetábulo
Compósitos
Cimento odontológico
ÇÃO DOS BIOMATERIAIS
ação remonta à antiguidade….
Suturas de linho e ouro eram usadas no Antigo Egito (2000 AC) e de intestino de gatos,
ropa, na Idade Média
Dentes artificiais eram feitos de conchas pelos Maias (600 AC), de ferro pelos
ses (200 AC) e de ouro e madeira pelos romanos, chineses e astecas
600 anos, origem: Maia
3000 anos
ÇÃO DOS BIOMATERIAIS
eorge Washington (Século XVIII)
Estratégia:
Tentativa e Erro
1ª g
2ª g
2000´s
1990´s
1980´s
1960-1970´s
1930-1940´s
ÇÃO DOS BIOMATERIAIS
3ª g
geração: BIOINERTES; interação mínima; conjunção de propriedades físicas e
ecânicas.
geração: BIOATIVOS e/ou BIODEGRADÁVEIS; formação de novo tecido e troca de
ns com o meio; fixação bioativa; degradação e reabsorção controlados.
ª geração: BIOINTERATIVOS e/ou BIOMIMÉTICOS; estimular resposta celular específica
nível molecular; regeneração tecido funcional; similaridade com o tecido hospedeiro.
ÇÃO DOS BIOMATERIAIS
ração de Biomateriais
Atual)
Biocompatível
Bioativo
Atendimento ao requisito de funcionalidade com
mínimo de reações alérgicas ou inflamatórias.
Forte interação com a interface do tecido
hospedeiro
Biomaterial
Biomimético
Participação
ativa
no
processo
de
regeneração com estimulação a nível celular
TERIAIS: REQUISITOS BÁSICOS
esenvolvimento de Biomateriais – Outros Requisitos Básicos
Atóxico, não carcinogênico, não-antigênico e não mutagênico.
Em aplicações sanguíneas, devem também ser não-trombogênicos.
Possuir propriedades físicas, químicas, morfológicas compatíveis com a sua
aplicação
Facilmente produzidos e reproduzidos
Facilidade de esterilização
Estabilidade na estocagem etc..
TERIAIS: REQUISITOS BÁSICOS
Propriedades físicas, químicas,
morfológicas, mecânicas
(volume e superfície)
Características biológicas
(integração biomaterial-ambiente celular)
TERIAIS: REQUISITOS BÁSICOS
Requisitos básicos a serem considerados no desenvolvimento de um
material para uma dada aplicação
plo: Prótese de quadril (artroplastia do quadril) – níveis elevados de stress mecânico
Polímero (UHMWPE), Cerâmica
Ti, aço inox, ligas especiais de alta
resistência
TERIAIS: REQUISITOS BÁSICOS
BIOLÓGICOS
Crescimento
Cura
Reparação
Modelagem
Remodelagem
Resposta biológica
Material
ideal para
implantes
UPERFÍCIE
sseointegração
orrosão
beração de íons
esgaste
esposta biológica
QUÍMICOS
Corrosão
Liberação de íons
MATERIAIS
Processamento
Forma
Estrutura
Propriedades:
- Resistência
- Tenacidade
- Rigidez
MECÂNICOS
Módulo
Intensidade da tensão
Distribuição de tensão
Transferência de tensão
Carregamento funcional
Movimento
VOLVIMENTO DE BIOMATERIAIS
nvolvidas na produção de um biomaterial
Implementação
car uma necessidade
nto de uma condição
ção de um órgão
ção e
m
Testes
biológicos
(in vitro e in vivo)
Design do
dispositivo
Síntese dos
materiais
Paciente
Testes dos materiais
• Propriedades mecânicas
• Toxicologia
• Biorreação ao material
• Interações proteicas
• Ativação celular
• Reação tecidual
• Bioestabilidade
• Mecânica
• Química
Regulamentação
• Aprovação pré-mercado
• Estudos clínicos restritos
• Testes clínicos
• Acompanhamento a longo prazo
Uso clínico
Produção
Análise de explante
• Registro
• Exames patológicos
• Testes para
entenidmento das
falhas
VOLVIMENTO DE BIOMATERIAIS
Área Multidisciplinar
farmácia
farmácia
biologia
biologia
cirurgia
cirurgia
computação
computação
química
imunologia
imunologia
física
engenharia
ciência dos
dos
ciência
materiais
TERIAIS: ASPECTOS ECONÔMICOS
ercado global em intensa expansão
Envelhecimento da população;
Aumento da qualidade de vida em países em desenvolvimento;
Aumento do número de acidentes (lesões graves);
Capacidade crescente para tratar condições médicas previamente intratáveis.
TERIAIS: ASPECTOS ECONÔMICOS
Mercado Global de Biomateriais
100
(estimativa)
90
US$ Bilhões
80
70
60
50
40
30
20
10
0
2008
2012
2017
xa de crescimento: 15% ao ano (estimativa)
asses de biomateriais: destaque para metais e polímeros.
 Polímeros: crescimento de 22,1% ao ano de 2012 to 2017 (estimativa).
TERIAIS: ASPECTOS ECONÔMICOS
stribuição do Mercado Global ‐ 2008
3%
Mercado Global de Biomateriais
2%
100
43%
90
Europe
80
Outros
70
Ásia (Pacífico)
33%
Brasil
US$ Bilhões
19%
EUA
(estimativa)
60
50
40
30
20
10
0
2008
2012
xa de crescimento: 15% ao ano (estimativa)
asses de biomateriais: destaque para metais e polímeros.
 Polímeros: crescimento de 22,1% ao ano de 2012 to 2017 (estimativa).
2017
TERIAIS: ASPECTOS ECONÔMICOS
ado Global – Aplicações de maior destaque (2012)
diovascular – stents, desfibriladores cardíacos implantáveis, marca-passo
opedia – implantes ortopédicos
tamento de feridas
urgia plástica
ontologia
urologia
amologia
genharia tecidual
TERIAIS: ASPECTOS ECONÔMICOS
Mercado de Biomateriais no Brasil
1800
(estimativa)
1600
US$ Milhões
1400
1º. Ortopédico
1200
2º. Cardiovascular
1000
3º. Tratamento de feridas
800
600
400
200
0
2008
2010
Aumento do número de áreas de aplicação;
Introdução de tecnologias sofisticadas no mercado;
2015
RIO
materiais
Definição
Histórico
Propriedades
Aspectos econômicos
emplo de aplicação
Engenharia tecidual
nsiderações finais
Desafios, oportunidades
HARIA TECIDUAL
ogia
ar e
cular
Ciência
dos
materiais
Engenharia
tecidual
Medicina

Bioquímica
Área multidisciplinar;
 Desenvolvimento de substitutos biológicos
HARIA TECIDUAL
otivação
Necessidade de reparar,
restaurar
e regenerar tecidos
danificados
por doenças
Cenário
do Transplante
de Órgãos
no Brasil
Número de indivíduos
degenerativas, acidentes
e/ou perdas de órgãos;
50000
40000
Lista de espera - 1º Semestre
de 2008
Doações de tecidos e órgãos não são suficientes para suprir
as realizados
necessidades
atuais;
Transplante
- 2008
30000
Minimização dos20000
possíveis efeitos colaterais causados pelos medicamentos
10000
permanentes de agentes
imunossupressores.
0
órgãos
sólidos
córnea
Medula
óssea
Tipo de Transplante
HARIA TECIDUAL
istórico
Conceito introduzido na década de 1980 pelo Dr. Joseph Vacanti (Harvard Stem Cell
Institute).
Prova de conceito: Células de cartilagem humana semeadas em arcabouço poroso
biodegradável de poliéster com formato de orelha. Implante em camundongos
imunossuprimidos.
HARIA TECIDUAL
agem Geral
Arcabouço poroso
Tecido
Células, fatores de crescimento
Tecido
HARIA TECIDUAL
dagem Geral
CÉLULAS (autólogas ou alogênicas; específicas, células‐tronco ou embrionárias)
ARCABOUÇO POROSO (natural ou sintético)
MOLÉCULAS REGULADORAS (Fatores de crescimento e diferenciação, fatores de adesão etc.)
REGENERAÇÃO DO TECIDO
HARIA TECIDUAL
bouço poroso (Scaffold)
uiar o desenvolvimento do novo tecido
rnecer estabilidade mecânica e organização tridimensional para as células
erirem, proliferarem e secretarem a matriz extracelular.
xa de biodegradação ~ crescimento do novo tecido.
HARIA TECIDUAL
isitos Básicos para um Arcabouço Ideal
Não deve provocar reações tóxicas, mutagênicas ou carcinogênicas;
Biocompatibilidade;
Propriedades de superfície adequadas à adesão e proliferação celular;
Alta porosidade com interconectividade;
Elevada razão superfície/volume;
Boas propriedades mecânicas sob condições fisiológica;
Biodegradabilidade em produtos não-tóxicos ao organismo a mesma taxa em que o novo
ecido seja formado;
Facilidade de ser produzido sob diversas formas e tamanhos;
Facilidade de esterilização.
HARIA TECIDUAL
ações Célula/Biomaterial
 Arcabouço de PHB recoberto com quitosana
– Cultura de osteoblastos humanos.
HARIA TECIDUAL
riais Utilizados para Fabricação dos Arcabouços Porosos
ERÂMICAS
erâmicas reabsorvíveis – Exemplo: fosfato tricálcio;
erâmicas bioativas – Exemplos: vidros do sistema SiO2-CaO-P2O5, vitrocerâmicas e
sfatos de cálcio, como hidroxiapatita.
MEROS
antagens: processo de biodegradação conhecido, capacidade de produção de porosidade
pecífica e extensa, flexibilidade de enxertia de grupamentos químicos ou moléculas
ológicas específicas.
aturais (colágeno, alginato, quitosana etc.) ou sintéticos (PLA, PCL, PHA etc.).
HARIA TECIDUAL: SITUAÇÃO ATUAL
Área ainda na “infância” – mercado crescente.
Produtos em diferentes estágios de desenvolvimento.
iores avanços:
Tratamento de lesões de pele: maior número de produtos comerciais aprovado pelo FDA;
Aplicações musculoesqueléticas;
Cartilagem;
Bexiga.
HARIA TECIDUAL: SITUAÇÃO ATUAL
utos com aprovação do FDA – Premarket approval
AÇÃO: PELE
Empresa
Aplicação
Integra LifeSciences
tratamento de queimadura severa, úlceras (de
pressão, venosa, diabética)
1996
Organogenesis Inc.
Compressa terapêutica padrão para tratamento
de lesões de pele parcialmente não-infectadas
e de terceiro grau.
1998
Advanced Tissue
Sciences, Inc.
Tratamento de lesões de 2º e 3º graus em
diabéticos.
2001
ço decelularizado de
bovino tipo I e sulfato
oitina recoberto com
de silicone)
stos alogênicos
rvados/queratinócitos
z de colágeno bovino
ft®
o de pele
rvado; Fibroblastos
s alogênicos, Matriz
Aprovação
HARIA TECIDUAL: SITUAÇÃO ATUAL
utos com aprovação do FDA – Premarket approval
CAÇÃO: MUSCULOESQUELÉTICA
o
mplant®
na osteogênica humana
inante (rh OP-1), Matriz
geno bovino tipo I
® Bone Graft / LTLumbar Tapered Fusion
Empresa
Aplicação
Ano
Stryker Biotech
Alternativa ao autoenxerto para tratamento
de pseudoartrose
2002
Medtronic
Fusão espinhal para doenças degenerativas
de disco.
2002
Biomimetic,
Pharmaceuticals,
Inc.
Tratamento para doenças correlatas à
periodontite: defeitos intra-ósseos; defeitos
de furca; recessão gengival associada com
defeitos periodontais.
2005
, colágeno bovino tipo
a” de liga de titânio)
1S®
de β-TCP sintético
cida com fator de
ento recombinante
o plaquetas humano
F-BB))
HARIA TECIDUAL: SITUAÇÃO ATUAL
UTOS EM DESENVOLVIMENTO
e
AG
Produto
Aplicação
MACI®
Defeitos
sintomáticos da
cartilagem
femoral
Vascugel®
Fase de
Regulamentação
Descrição do produto
Fase 3
(1000-3000 pacientes)
Condrócitos autólogos cultivados
em membrana de colágeno
Acesso
arteriovenoso
para
hemodiálise.
Fase 2
(100-300 pacientes)
Células endoteliais
aórticas alógenas cultivadas em
matriz de gelatina suína
Neo-Urinary Conduit
Conduíte dos
rins para
dispositivo
externo.
Fase 1
(<100 pacientes)
Malha de PGA recoberta com
PDLLA-co-mesh coated with PLGA
semeado com células musculares
lisas autólogas, sangue periférico e
tecido de bexiga.
Novocart 3D®
Tratamento de
hérnias de
Fase 1
(<100 pacientes)
Condrócitos autólogos semeados
em uma esponja bicamada de
HARIA TECIDUAL: SITUAÇÃO ATUAL
mento de Pele : INTEGRA® (arcabouço colágeno bovino tipo I e sulfato de condroitina)
Pele lesionada
Aplicação após desbridamento da ferida. Invasão de fluidos => adesão à ferida
7-14 dias: Início de vascularização. Biodegradação do colágeno.
21-56+ dias: Migração de células epidérmicas => fechamento da lesão. Em alguns
HARIA TECIDUAL: SITUAÇÃO ATUAL
tificial (Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School)
Rins de rato, porco e seres humanos foram tratados com detergente;
Inoculação de células epiteliais de rato e células endoteliais;
Cultivo em bioreator de perfusão;
Implante em ratos  produção efetiva de urina!!!!!
HARIA TECIDUAL: SITUAÇÃO ATUAL
Artificial (Wake Forest School of Medicine, North Caroline)
ientes utilizados no estudo (3 homens e 4 mulheres);
bouços de colágeno-PGA cultivados com células do próprio paciente;
61 meses, pacientes recuperaram contratilidade de um bexiga normal (exceto 1 homem);
uição da frequência de vazamento;
ia mostrou crescimento de estrutura em 3 camadas, semelhante ao tecido de bexiga.
HARIA TECIDUAL: SITUAÇÃO ATUAL
Artificial (Weill Cornell Medical College, New York)
cação de moldes tridimensionais de hidrogéis de alginato e colágeno do tipo I, imitando as
terísticas anatômicas da orelha.
o com condrócitos primários auriculares de bovinos por 8 semanas.
gel apresentou rigidez necessária para manutenção da forma do molde.
se histológica mostrou a presença de condrócitos saudáveis depositando ECM cartilagem
al dentro do arcabouço.
HARIA TECIDUAL: SITUAÇÃO ATUAL
os a Serem Vencidos
enharia de órgãos mais complexos (pulmão, fígado etc) que requerem múltiplas linhagens
ares, arcabouços mais elaborados, funções metabólicas complexas.
ribuição de células no interior dos arcabouços e controle de distribuição espacial de células e
es de crescimento => bioimpressão de órgãos.
cularização dos arcabouços.
ução de materiais com biodegradação controlada e compatível com a regeneração do
o.
mização dos processos de decelularização, expansão de células e biorreatores para
eadura das células.
sferência dos métodos desenvolvidos “in vitro” para os testes clínicos.
to de produção e implementação da nova tecnologia.
RIO
materiais
Definição
Histórico
Propriedades
Aspectos econômicos
emplo de aplicação
Engenharia tecidual
nsiderações finais
Desafios, oportunidades
DERAÇÕES FINAIS
Grande número e tipos de biomateriais já disponíveis no mercado…
Porém, desenvolvimento de novos biomateriais ainda é uma necessidade: tipos,
ualidade, custo…
O uso clínico de biomateriais avançados ainda é restrita a uma parcela da população
mundial, privando:
 Pacientes: melhor qualidade de vida e maior longevidade
 Profissionais da área de saúde: melhor desempenho pelo uso de materiais mais
avançados tecnologicamente.
DERAÇÕES FINAIS
ios e oportunidades
senvolvimento de metodologias para controlar a arquitetura a nível molecular, para
ngenheirar” biomateriais e biomacromoléculas com maior estabilidade.
plementação em escala industrial (“Scale-up).
ustomização” de biomateriais – dispositivos adaptáveis ou apropriados para indivíduos em
escimento, por exemplo (engenharia tecidual e manufatura aditiva).
DERAÇÕES FINAIS
ios e oportunidades
rmatização – nanotoxicologia, por exemplo.
racterização “in situ” de estrutura, propriedades e funcionalidade.
tratégias para acelerar as descobertas – integração de abordagens experimental, teórica,
mputacional e de modelagem.
ucação em biomateriais
DERAÇÕES FINAIS
O lado inspirador, humano da área de biomateriais é que milhões de
das podem ser salvas através deles e que a qualidade de vida de
m número maior ainda de pessoas pode ser melhorada em
ecorrência de seu uso.
Ratner et al., Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine,
3rd ed., 2013