‘Massa de osso’ impressa em 3D pode acelerar recuperação de fraturas em humanos e animais

Pesquisadores na Suíça começam a desenhar um outro futuro para quem quebrou a perna e ouviu que o tratamento será uma combinação de parafusos, enxertos e meses sem apoiar o pé no chão ou para quem tenta salvar a pata de um cão atropelado ou a asa de uma ave resgatada: “preenchimentos de osso” impressos em 3D, fortes o bastante para suportar peso em poucos dias e porosos o suficiente para serem tomados por tecido ósseo vivo.

Um “andaime” feito sob medida

Hoje, quando há uma fratura com grande perda de osso ou um segmento precisa ser reconstruído após um tumor, a ortopedia recorre a placas, parafusos, hastes e fixadores externos combinados com enxertos de osso do próprio paciente ou de bancos de tecidos. Esse modelo funciona, mas tem custo alto para o corpo: é preciso abrir outra área cirúrgica para retirar o enxerto, há risco de dor crônica no local doador, a quantidade de osso disponível é limitada e, nos defeitos maiores, a consolidação pode levar meses sem apoio ou com apoio muito restrito. Em muitos casos complexos, o paciente enfrenta mais de uma cirurgia até conseguir andar com alguma segurança.

Na medicina veterinária, o cenário é parecido: cães e gatos com grandes perdas ósseas muitas vezes terminam amputados, e animais silvestres resgatados – aves, felinos, primatas – podem não voltar a voar ou andar se a reconstrução do osso falhar. Materiais como a hidroxiapatita já são usados em algumas artrodeses, mas nem sempre oferecem a combinação ideal de forma sob medida, resistência precoce e espaço interno para o osso vivo crescer.

Foi nesse contexto que cientistas da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), a Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, em colaboração com a ETH Zurich, a Empa e a Universidade de Friburgo, desenvolveram um “andaime” ósseo sintético que pode ser impresso em 3D à temperatura ambiente. A ideia foi criar uma espécie de massa de osso que pudesse ser injetável ou imprimível, endurecesse rápido e se comportasse como o osso trabecular, o osso esponjoso que fica dentro das vértebras e nas extremidades de ossos como o fêmur.

Eles partiram de um dos principais minerais do esqueleto, a hidroxiapatita, mas, em vez de usar fornos a altas temperaturas, adotaram uma rota “suave”, inspirada em processos biológicos. A equipe do Soft Materials Laboratory (SMaL), liderada por Esther Amstad, preparou uma “tinta” misturando gelatina – um material macio derivado do colágeno, proteína que dá firmeza à pele e aos tecidos – com uma enzima chamada fosfatase alcalina, que no organismo ajuda a formar os cristais minerais dos ossos. Essa tinta é então colocada em uma impressora 3D ou em uma seringa para formar o esqueleto da futura peça óssea.

Depois de impressa, a estrutura é mergulhada em uma solução rica em cálcio e fosfato, os mesmos elementos que compõem o osso. A enzima age como gatilho: ela libera fosfato em pontos específicos e, em poucos dias, pequenos cristais de hidroxiapatita começam a surgir e se depositar por dentro do material, enrijecendo o conjunto. Em cerca de quatro dias de mineralização, esse compósito já suporta o peso médio de um adulto numa área de apenas 1,5 cm por 1,5 cm; em sete dias, a resistência à compressão se aproxima da do osso esponjoso humano.

Para criar espaço para que o osso do paciente possa crescer, os pesquisadores misturam ainda pequenos fragmentos de gelatina sem enzima. Esses grânulos funcionam como peças provisórias: dissolvem-se depois, deixando uma rede de poros, como um favo de mel microscópico, por onde células e vasos sanguíneos podem se infiltrar. Ajustando a quantidade desses fragmentos, a equipe controla quão “furadinha” a estrutura será; com poros ocupando cerca de 50% do volume, há espaço suficiente para a remodelação natural do material em osso vivo.

Em testes de laboratório, 14 dias após o semeio com células-tronco humanas em um meio que estimula a formação óssea, foram detectadas proteínas típicas da matriz do osso, como colágeno e osteocalcina, sinal de que as células reconhecem esse andaime como um bom suporte para formar tecido ósseo novo. Os resultados foram publicados na revista Advanced Functional Materials.

Mudanças na ortopedia

Se essa tecnologia se confirmar em estudos pré-clínicos e clínicos, ela pode alterar a rotina da ortopedia em três frentes principais:

• Personalização: em vez de adaptar enxertos disponíveis ao defeito, seria possível imprimir um “preenchimento” com o desenho exato da falha no fêmur, na tíbia ou no osso da pelve do paciente, encaixando como um quebra-cabeça.
• Resistência precoce: como a estrutura ganha força em poucos dias, cirurgiões poderiam planejar reabilitações com apoio mais precoce, reduzindo tempo de imobilização e perda de massa muscular.
• Integração biológica: a porosidade e o fato de o processo ocorrer à temperatura ambiente abrem espaço para, no futuro, carregar o andaime com células do próprio paciente ou fatores de crescimento, facilitando a integração ao esqueleto e reduzindo a necessidade de grandes enxertos.

Nada disso significa que placas, parafusos ou enxertos desaparecerão, mas que, para certas fraturas complexas e grandes defeitos ósseos, cirurgiões poderão ter uma opção mais próxima do que o osso natural faz: sustentar peso e, ao mesmo tempo, se remodelar.

Esperança para pets e animais silvestres

Na medicina veterinária, materiais de hidroxiapatita já vêm sendo usados como substitutos de enxerto em cirurgias de fusão óssea em cães e gatos, com bons resultados de formação de osso. Um andaime como o da EPFL, imprimível em 3D, poroso e mecanicamente parecido com o osso esponjoso, pode ampliar esse horizonte. Ele permitiria:

• reconstruir membros de cães e gatos com defeitos ósseos grandes, reduzindo a necessidade de amputações;
• desenhar peças sob medida para aves de rapina, felinos de grande porte ou primatas que chegam a centros de reabilitação com fraturas complexas;
• evitar a retirada de grandes quantidades de osso de outra região do corpo do animal, um desafio especialmente importante em pacientes pequenos ou debilitados.

A combinação de resistência precoce, porosidade ajustável e compatibilidade com células vivas cria um cenário em que, tanto em humanos quanto em outros animais, a reconstrução de grandes perdas ósseas deixa de ser sinônimo quase automático de longas esperas, múltiplas cirurgias ou amputação.

É esse horizonte que Esther Amstad, chefe do laboratório SMaL, aponta ao dizer que, no futuro, o trabalho da equipe pode lançar as bases para estruturas até injetáveis, capazes de promover a regeneração óssea e permitir que pacientes – de duas ou quatro patas – voltem a apoiar o membro machucado muito mais cedo do que hoje.

Imagem: EPFL SMaL, licenciada sob Creative Commons CC BY-SA 4.0.