Material biomimético programável ajuda a curar ossos quebrados

Estrutura do "curativo para ossos", projetado com a última palavra em diversas tecnologias de pesquisa e fabricação.
[Imagem: Yingqi Jia et al. - 10.1038/s41467-024-47831-2]

Curativo para fraturas

Inspirando-se em materiais naturais, como ossos, penas de pássaros e madeira, pesquisadores desenvolveram um novo material biomimético que replica as funcionalidades do osso humano em um nível suficiente para a restauração ortopédica do fêmur, o maior osso do corpo humano.

As fraturas do fêmur, muito prevalentes entre os idosos, são problemáticas porque as bordas quebradas fazem com que a tensão se concentre na ponta da trinca, aumentando as chances de a fratura se alongar. Os métodos convencionais de reparo de um fêmur fraturado normalmente envolvem procedimentos cirúrgicos para fixar uma placa de metal ao redor da fratura com parafusos, o que pode causar afrouxamento, dor crônica e lesões adicionais.

Os materiais naturais têm soluções inteligentes para a distribuição do estresse físico, apesar de suas arquiteturas irregulares. No entanto, os cientistas ainda não entendem exatamente a relação entre a modulação do estresse e a estrutura do material. Por isso, Yingqi Jia e colegas da Universidade de Illinois (EUA) se valeram de todas as ferramentas à disposição, incluindo aprendizado de máquina, otimização, impressão 3D e experimentos de estresse.

O resultado é um material que imita os ossos em um nível nunca antes alcançado.

"Começamos com um banco de dados de materiais e usamos um estimulador de crescimento virtual e algoritmos de aprendizado de máquina para gerar um material virtual e, em seguida, aprendemos a relação entre sua estrutura e suas propriedades físicas," disse a professora Xiaojia Zhang. "O que separa este trabalho dos estudos anteriores é que demos um passo adiante ao desenvolver um algoritmo de otimização computacional para maximizar a arquitetura e a distribuição de tensão que podemos controlar."

A nova técnica pode ser aplicada a vários implantes biológicos sempre que for necessária manipulação de tensão mecânica. "O método em si é bastante geral e pode ser aplicado a diferentes tipos de materiais, como metais, polímeros - praticamente qualquer tipo de material," disse a pesquisadora. "A chave é a geometria, a arquitetura local e as propriedades mecânicas correspondentes, tornando as aplicações quase infinitas."