Biomateriais para regeneração de nervos periféricos: uso de quitosana e vidro bioativo em impressão 3D

Larissa Ribeiro Lourençoᵃ, Roger Borgesᵇ, Carlos Alberto-Silvaᶜ, Juliana Marchiᶜ*

ᵃ Aluna de doutorado PPG-NMA/ UFABC
ᵇ Professor Assistente da Escola de Engenharia Biomédica/ Faculdade Israelita de Ciências da Saúde Albert Einstein (FICSAE)
ᶜ Docente Titular do Centro de Ciências Naturais e Humanas/UFABC

Resumo

Lesões em nervos periféricos são comuns e podem causar dor, perda de movimento e sensibilidade. Atualmente, o tratamento padrão é o uso de enxertos do próprio paciente, técnica limitada pela escassez de tecido disponível e baixa recuperação funcional. Uma alternativa para a realidade brasileira é o uso de biomateriais importados já aprovados pela ANVISA, mas que possuem estrutura simples e pouca funcionalidade. Para superar essas barreiras, pesquisadores da UFABC estão desenvolvendo um novo biomaterial que combina quitosana — um polímero natural, seguro e absorvível pelo corpo — com vidro bioativo, capaz de liberar íons que influenciam positivamente o comportamento das células. Por meio da impressão 3D, os cientistas criaram biomateriais com propriedades mais próximas às dos nervos. Os resultados iniciais mostraram que o vidro bioativo melhora a estabilidade do biomaterial para impressão, confere resistência mecânica adequada e controla o tempo de degradação dos materiais. Ensaios em laboratório com células semelhantes às nervosas confirmaram que o material não é tóxico e sugeriram que ele pode estimular a proliferação celular. Ainda há etapas importantes pela frente, como a construção do conduíte e ensaios biológicos avançados, mas os resultados são promissores para uma alternativa nacional e inovadora para o reparo de nervos periféricos.

Palavras-chave: engenharia tecidual; nervos periféricos; quitosana; vidro bioativo; impressão 3D.

Abstract

Peripheral nerve injuries are frequent clinical conditions that may result in pain, motor dysfunction, and sensory deficits. The standard therapeutic approach involves autologous nerve grafting; however, this method is restricted by the limited availability of donor tissue and often leads to only partial functional recovery. In Brazil, imported biomaterials approved by ANVISA represent an alternative, but their simplistic structural design restricts therapeutic efficacy. In this context, researchers at UFABC are developing innovative biomaterials to overcome these limitations. The project integrates chitosan—a natural, biocompatible, and biodegradable polymer—with bioactive glass, known for releasing ions capable of modulating cellular activity. Through 3D printing techniques, the team has fabricated structures that more closely resemble the properties of native nerves. Preliminary results are encouraging. The incorporation of bioactive glass improved the stability and mechanical strength of the material while enabling controlled degradation. In vitro assays with nerve-like cells demonstrated biocompatibility and suggested a potential to promote cellular proliferation. Future directions include the fabrication of nerve conduits and the performance of advanced biological evaluations, paving the way toward a national and innovative solution for peripheral nerve repair.

Keywords: tissue engineering; peripheral nerves; chitosan; bioactive glass; 3D printing.

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ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-0663-0463

https://orcid.org/0000-0002-1198-2543

De onde partimos...

Nervos periféricos são estruturas responsáveis por fazer a comunicação entre o sistema nervoso central (cérebro e medula espinal) e o restante do corpo e ambiente. Eles compõem um tecido extenso e relativamente desprotegido do corpo humano por não possuir proteção óssea, como ocorre no sistema nervoso central. Devido a isso, essas estruturas são suscetíveis a diversas lesões físicas, tais como estiramento, laceração ou compressão, ocasionadas em acidentes de trânsito, de construções, elétricos, feridas ou doenças crônicas ¹. Danos aos nervos periféricos apresentam incidência anual em países desenvolvidos entre 10 e 20 a cada 1000 pessoas e geram altos custos para o paciente e para o sistema de saúde, com gasto anual nos EUA superior a 150 bilhões de dólares ²,³.

Embora o sistema nervoso periférico possua capacidade intrínseca de regeneração, o sucesso desse reparo é limitado e depende de fatores como a gravidade da lesão e do nervo afetado. O reparo incompleto resulta em consequências graves para o paciente, como dor neuropática, perda de funcionalidades motoras e sensoriais, com redução de qualidade de vida, fatores que podem atuar como agravantes em quadros de depressão. Dessa forma, foram desenvolvidas estratégias para auxiliar no tratamento de lesões mais graves que formam gap (espaço entre dois segmentos de nervos após secção total da sua estrutura), onde a regeneração espontânea não é suficiente.

Como superar esse desafio?

Uma das estratégias para reparar nervos periféricos lesionados é a técnica de tubulização. Esta consiste na utilização de uma estrutura tubular, podendo ser enxertos ou tubos artificiais, para reconectar os segmentos do nervo rompido. O uso de enxertos autólogos, isto é, uso de nervos do próprio paciente (geralmente nervo Sural, localizado na panturrilha), é considerado padrão ouro na regeneração de nervos periféricos (RNP) ⁴. Entretanto, esse método de tratamento possui desvantagens como a disponibilidade limitada e morbidade do tecido doador, necessidade de dois processos cirúrgicos e uma taxa de sucesso de recuperação funcional de apenas 50% ⁵.

A engenharia tecidual, área da ciência que propõe a substituição, melhoria ou reparo de órgãos e tecidos a partir do uso de biomateriais (materiais especialmente desenvolvidos para interagir com o corpo humano de forma segura), células e fatores de crescimento (moléculas que regulam o comportamento celular), se mostra como uma alternativa para RNP ⁶. Nesse contexto, biomateriais são utilizados para auxílio no reparo deste tecido, geralmente conformados em tubos, chamados conduítes. Uma representação esquemática de como são aplicados esses biomateriais está apresentada na Figura 1.

Figura 1. Representação de uma lesão de nervo periférico e reconexão do tecido usando conduítes.

No Brasil, o tratamento de lesões em nervos periféricos é possível através do uso de técnicas de enxertia – limitações citadas anteriormente – ou de conduítes ⁷. Atualmente, apenas três destes produtos possuem aprovação da ANVISA, todos com estrutura do tipo tubo de paredes simples e materiais inertes ⁸. Dessa forma, as estratégias de reparo aplicadas se limitam ao uso de produtos importados e com desempenho limitado.

Para mudar esse cenário, com o apoio da FAPESP, esse projeto busca a otimização de biomateriais para construção de conduítes nacionais à base de quitosana e vidro bioativo (VB) por impressão 3D. O objetivo é personalizar a estrutura para obter melhores propriedades químicas, mecânicas e biológicas, garantindo compatibilidade com o corpo e estimulando o processo de regeneração para restabelecer a funcionalidade da região lesionada.

Por que a quitosana e o vidro bioativo impressos em 3D?

Dentre as alternativas de biomateriais para RNP, destaca-se o uso de polímeros naturais, já que esses criam um ambiente que favorece o crescimento celular, com propriedades semelhantes às da matriz extracelular — a “base” natural onde as células se fixam e se organizam. A quitosana é um polímero natural, não tóxico, absorvível pelo organismo e com bom custo-benefício que pode ser utilizada para a RNP. Ainda, sua combinação com outros materiais permite a otimização de propriedades, como resistência mecânica e tempo de degradação, que adequem esse biomaterial para aplicação desejada ⁹.

Um material que pode ser utilizado para esse fim é o vidro bioativo que, apesar do nome, não se parece com os vidros comuns das janelas ou copos. Sua composição se baseia em uma matriz de silício amorfa, isto é, que não possui organização de longo alcance, podendo conter também íons de cálcio (Ca) e fósforo (P). Quando entram em contato com fluidos do corpo, como o sangue ou líquidos dos tecidos, esses vidros liberam seus íons constituintes de forma controlada, modulando o comportamento das células e ajudando no processo de regeneração ¹⁰.

Para unir esses dois materiais, a pesquisa utiliza impressão 3D como técnica de processamento. Essa tecnologia constrói, camada por camada, um modelo criado previamente no computador (CAD). No projeto, é usada a técnica de microextrusão, em que o material é depositado por uma seringa muito fina, com diâmetro micrométrico. Isso permite criar estruturas mais complexas e parecidas com a anatomia real dos nervos, aumentando as chances de sucesso no reparo ¹¹.

Nos bastidores da investigação

Para transformar a ideia em realidade, os pesquisadores dividiram o trabalho em diferentes etapas. A primeira foi a criação das chamadas “tintas de impressão”: géis de quitosana misturados com diferentes concentrações de vidro bioativo. Essa mistura funciona como a matéria-prima que, mais tarde, será moldada pela impressora 3D.

Em seguida, foi preciso ajustar a consistência dessas tintas. Se estivessem muito líquidas, perderiam a forma; se muito rígidas, não sairiam pela seringa da impressora. O desafio foi o de encontrar o ponto de equilíbrio, capaz de manter o desenho planejado.

Com as tintas prontas, o próximo passo foi imprimir os protótipos e submetê-los a uma série de experimentos para verificar se apresentavam as propriedades necessárias para o uso no corpo humano. Os pesquisadores analisaram se cada composição resistia bem a esforços mecânicos, quanto líquido conseguia absorver e quanto tempo se degradava quando exposta a soluções que simulam o ambiente do corpo humano.

Na etapa final, os biomateriais foram colocados em contato com células semelhantes às nervosas cultivadas em laboratório. Esse passo é essencial para garantir que o material não seja tóxico e que, além disso, favoreça a adesão e multiplicação celular — características cruciais para o reparo de nervos periféricos.

Todos os ensaios descritos foram realizados na Universidade Federal do ABC (UFABC), contando com a parceria de diferentes pesquisadores e laboratórios de pesquisa, mas também com acesso aos laboratórios didáticos e da Central Multiusuário da UFABC.

O que descobrimos

Seguindo as etapas do estudo, a primeira descoberta interessante foi relacionada aos efeitos da adição de VB na tinta para impressão. Quanto maior a concentração de VB, mais viscoso ficava o gel de quitosana, ajudando a peça impressa a manter seu formato original.

Os ensaios mostraram que, nas maiores concentrações de VB, as estruturas impressas ficaram mais fiéis ao modelo criado no computador (Figura 2). Isso acontece porque o vidro bioativo, que possui cargas negativas na superfície, interage com as moléculas de quitosana, que têm carga positiva em ambiente ácido, como mostrado no esquemático da Figura 3. Essa interação reduz a repulsão entre as moléculas e torna o material mais estável e viscoso, preservando melhor suas propriedades após a impressão. Em termos simples, o vidro funcionou como um aliado que forneceu mais estabilidade ao material.

Figura 2. Modelo CAD quadriculado e estruturas impressas a partir dos diferentes materiais. Os nomes se referem a: C6, o biomaterial de quitosana; CBG os biomateriais contendo vidro bioativo nas concentrações 0.5, 1, 2 e 5%. Adaptado de Lourenço et al. (2024) ¹¹.

Além disso, a combinação de quitosana e VB melhorou as propriedades mecânicas do material, deixando-o com a consistência próxima à de um nervo em regeneração. O vidro também ajudou a controlar a absorção de líquidos, permitindo que o material se degradasse de forma gradual e previsível — permanecendo íntegro por até quatro semanas, tempo compatível com o processo natural de regeneração nervosa.

Figura 3. Esquemático mostrando a interação entre as moléculas de quitosana com cargas positivas em meio ácido e a interação dos materiais após a adição de vidro bioativo. Adaptado de Lourenço et al. (2024) ¹¹.

Mas todas essas melhorias só seriam relevantes se o material fosse seguro para o corpo humano. Por isso, os testes com células semelhantes às nervosas foram fundamentais: todas as amostras mostraram alta viabilidade celular e, em alguns casos, até estimularam a adesão e multiplicação das células. Esses resultados indicam que o vidro bioativo não apenas é seguro, como também pode acelerar o processo de regeneração.

Os Próximos Passos

Os avanços obtidos até aqui, ainda que extremamente promissores, representam apenas o começo de uma longa jornada. O próximo desafio do projeto FAPESP vigente é construir o conduíte na sua forma final e, em seguida, realizar uma nova sequência de ensaios para confirmar se as propriedades físico-químicas e biológicas dos materiais desenvolvidos se mantêm na versão definitiva. Depois disso, será necessário realizar ensaios em organismos vivos, fundamentais para validar a segurança e a funcionalidade do dispositivo médico antes que ele possa ser usado em pacientes. Embora o caminho até a aplicação clínica seja desafiador, o desenvolvimento de novos biomateriais e o progresso da engenharia tecidual representam uma grande esperança para que o reparo de lesões graves em nervos periféricos se torne uma realidade mais acessível e eficaz.

Impactos para a sociedade

Esta pesquisa busca desenvolver uma tecnologia capaz de melhorar o tratamento de pessoas que sofrem de lesões em nervos periféricos. O material criado foi projetado para ser absorvido pelo próprio corpo ao longo do tempo, o que reduz a necessidade de cirurgias adicionais. Isso significa menos custos hospitalares e uma recuperação mais rápida para os pacientes. Além disso, o material libera íons que estimulam o organismo a regenerar o nervo de forma mais eficiente, acelerando o retorno das funções perdidas. Por ser um projeto multidisciplinar e translacional, ele conecta a ciência feita no laboratório às aplicações reais na saúde, com o objetivo de oferecer um tratamento inovador, acessível e capaz de melhorar diretamente a qualidade de vida de milhares de pessoas.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Central Experimental Multiusuário (CEM/UFABC) e à UFABC pela infraestrutura fornecida, e ao suporte financeiro do CNPq (311280/2023-4), da FAPESP (Projeto Regular, 2024/11219-8) e da CAPES (código 001). Agradecemos também a Letícia Diaz pelo auxílio na adaptação da linguagem do texto para divulgação científica.

 Referências Bibliográficas

1. Yi, S., Xu, L. & Gu, X. Scaffolds for peripheral nerve repair and reconstruction. Experimental Neurology 319, 112761 (2019).
2. Carvalho, C. R., Reis, R. L. & Oliveira, J. M. Fundamentals and Current Strategies for Peripheral Nerve Repair and Regeneration. 29.
3. Zhang, S. et al. Research Hotspots and Trends of Peripheral Nerve Injuries Based on Web of Science From 2017 to 2021: A Bibliometric Analysis. Frontiers in Neurology 13, (2022).
4. Siemionow, M. & Brzezicki, G. Chapter 8 Current Techniques and Concepts in Peripheral Nerve Repair. International review of neurobiology 87, 141–72 (2009).
5. Yan, Z., Qian, Y. & Fan, C. Biomimicry in 3D printing design: implications for peripheral nerve regeneration. Regenerative Medicine 16, 683–701 (2021).
6. O’Brien, F. J. Biomaterials & scaffolds for tissue engineering. Materials Today 14, 88–95 (2011).
7. Sebben, A. D., Lichtenfels, M. & Silva, J. L. B. da. Regeneração de nervos periféricos: terapia celular e fatores neurotróficos. Rev. bras. ortop. 46, 643–649 (2011).
8. Lista de dispositivos médicos regularizados. Agência Nacional de Vigilância Sanitária - Anvisa https://www.gov.br/anvisa/pt-br/assuntos/produtosparasaude/lista-de-dispositivos-medicos-regularizados
9. Ahmed, S., Annu, Ali, A. & Sheikh, J. A review on chitosan centred scaffolds and their applications in tissue engineering. International Journal of Biological Macromolecules 116, 849–862 (2018).
10. Miguez-Pacheco, V., Hench, L. L. & Boccaccini, A. R. Bioactive glasses beyond bone and teeth: Emerging applications in contact with soft tissues. Acta Biomaterialia 13, 1–15 (2015).
11. Lourenço, L. R., Borges, R., Carastan, D., Mathor, M. B. & Marchi, J. Precision 3D printing of chitosan-bioactive glass inks: Rheological optimization for enhanced shape fidelity in tissue engineering scaffolds. Bioprinting 43, e00359 (2024).

 Artigo da Edição 40 do Informativo PesquisABC.