23.02.2023 by Prof. Dr. Michael Gasik (Aalto University Helsinki, Finland)
DMA sobre biomateriais: Vendo o invisível!
Um artigo do Prof. Michael Gasik (Universidade Aalto, Helsinque, Finlândia)
Atualmente, muitos tipos de biomateriais estão disponíveis para uso em diferentes implantes, especialmente em casos ortopédicos e odontológicos. Ligas metálicas, cerâmicas e compósitos são usados, seja com ou sem células vivas. Há um campo de aplicação crescente de diferentes andaimes usados em aplicações de engenharia de tecidos para dar suporte e promover a formação de novos tecidos, e muitos deles estão sendo feitos por (bio)impressão 3D. A regeneração biológica de tecidos é conhecida por ser um dos desafios mais exigentes, requerendo estruturas biomateriais com propriedades biomecânicas corretas [1] que imitem o comportamento in vivo [2]. Os biomateriais adequados ajudam o corpo a reconstruir o tecido danificado e minimizam a dor e o tempo de cicatrização associados [3].
classicEste artigo do Prof. Dr. Michael Gasik (Aalto University Helsinki, Finlândia) mostra uma nova aplicação da técnica de análise dinâmico-mecânica (DMA), denominada BEST(Biomaterials Enhanced Simulation Testing), usada para caracterizar e aprimorar biomateriais e dispositivos médicos; esse método vai além das análises viscoelásticas conhecidas.
Michael Gasik, da Universidade de Aalto, na Finlândia (Departamento de Engenharia Química e Metalúrgica), começou a trabalhar em aplicações de análise térmica em 1985 e vem colaborando com a NETZSCH-Gerätebau GmbH há quase tanto tempo.
Seu foco tem sido em materiais para aplicações de alta temperatura e para a tecnologia de hidrogênio. Desde 2000, ele tem trabalhado ativamente com biomateriais, dispositivos médicos e aplicações de medicina regenerativa. Em 2019, ele foi nomeado embaixador da European Orthopedic Research Society.
Michael Gasik é cofundador da Seqvera Ltd. e inventor do método BEST - Biomaterials Enhanced Simulation Testing (Teste de Simulação Aprimorada de Biomateriais) - que foi implementado pela primeira vez no equipamento NETZSCH DMA.
arcMichael Gasik é a determinação das propriedades mecânicas dos biomateriais. Nesse contexto, ele usa dados de DMA gerados com um NETZSCH DMA 242 Artemis como base para cálculos adicionais para caracterizar esses materiais. Leia mais sobre sua abordagem:
Desafios
Vários estudos já foram realizados e dados clínicos foram coletados com relação à forma, ao design e ao estado da superfície dos biomateriais, bem como à geometria dos implantes e sua adequação à qualidade e à localização dos diferentes tecidos. Diferenças significativas também foram relatadas para materiais implantados que eram aparentemente idênticos, mas originários de fontes diferentes [4]. A caracterização biomecânica dos tecidos ósseos e moles é mais problemática do que a dos materiais metálicos, cerâmicos e poliméricos. Os conjuntos de dados publicados geralmente não se baseiam em protocolos e condições de medição comparáveis, o que leva a uma falta de consistência. A generalização desses dados é muito difícil ou quase impossível quando se trata de fornecer informações simples, robustas e relevantes.
Para a caracterização biomecânica, em geral, é preciso presumir que um material é um tipo de matéria elástica ou viscoelástica para aproximar as propriedades em números individuais, geralmente chamados de "Módulo elásticoO módulo complexo (componente elástico), módulo de armazenamento ou G', é a parte "real" das amostras, o módulo complexo geral. Esse componente elástico indica a resposta do tipo sólido, ou em fase, da amostra que está sendo medida. módulo de elasticidade". No entanto, isso só se aplica a materiais elásticos lineares para deformações muito small, e as diretrizes da NPL [5] listam nove métodos para calcular o Módulo elásticoO módulo complexo (componente elástico), módulo de armazenamento ou G', é a parte "real" das amostras, o módulo complexo geral. Esse componente elástico indica a resposta do tipo sólido, ou em fase, da amostra que está sendo medida. módulo de elasticidade que podem levar a valores diferentes. A grande maioria dos biomateriais e tecidos claramente não é elástica, portanto, é uma simplificação excessiva tentar reduzir artificialmente os dados a alguns números fixos: Qual seria, por exemplo, a vantagem de conhecer o "Módulo elásticoO módulo complexo (componente elástico), módulo de armazenamento ou G', é a parte "real" das amostras, o módulo complexo geral. Esse componente elástico indica a resposta do tipo sólido, ou em fase, da amostra que está sendo medida. módulo de elasticidade da mucosa", que varia de 0,1 a 680 MPa, de diferentes fontes?
Infelizmente, os problemas relacionados aos efeitos da inércia (altas frequências) ou aos limites do instrumento (baixas frequências) nem sempre são suficientemente documentados nos protocolos de teste publicados. Mesmo que a inércia do instrumento seja eliminada, a amostra em si sempre terá uma inércia finita, que pode produzir artefatos de difusão de momento, ondas viscoelásticas e fluxos secundários - todos os quais podem violar a suposição de deformação homogênea e linear [6]. Modelos mais sofisticados têm um número substancial de parâmetros de ajuste artificiais, e há grandes dificuldades experimentais na realização desses testes dentro dos padrões, protocolos e métodos de teste ad hoc existentes [7].
Para processos como a bioimpressão 3D, há vários desafios que precisam ser superados, como o controle das propriedades dos bioinks, o gerenciamento do fluxo e seu efeito sobre a viabilidade das células e a garantia de propriedades biofísicas ideais das construções após a impressão e a implantação [8]. São necessárias maior resolução e velocidade com controle no microambiente 3D, e uma combinação ideal de propriedades mecânicas e de transporte deve ser obtida dentro da escala de espaço e tempo; isso é necessário principalmente para a vascularização limitada por difusão. Os novos Regulamentos de Dispositivos Médicos (2017/745) exigem a realização de uma avaliação mecânica adequada, resultando na adesão aos Regulamentos de Avaliação de Tecnologia da Saúde (2021/2282).
Infelizmente, muitos métodos diferentes de testes biofísicos produzem resultados bastante diferentes, e não é fácil obter propriedades verdadeiras e realistas. Há muitos motivos para as diferenças - contato desigual, estado de fase, inércia e efeitos de instabilidade elástica, ajuste com modelos assumidos de forma inadequada, limitação na definição de EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão, falta de avaliação adequada do histórico de carga etc. Portanto, é muito importante ter uma abordagem robusta que possa quantificar o comportamento de um biomaterial e seu desempenho no processo, em vez de apenas gerar alguns números específicos.
O conceito BEST
Para enfrentar esses desafios, desenvolvemos o método patenteado BEST(Biomaterials Enhanced Simulation Testing - Teste de Simulação Aprimorada de Biomateriais). Ele pode ser aplicado a muitos biomateriais duros e macios, inclusive hidrogéis, construções impressas em 3D e fornecimento controlado de medicamentos. As soluções BEST têm como alvo os problemas causados especialmente por testes inadequados e fragmentados, e são estabelecidas em uma abordagem integrada baseada em um princípio fundamental de causalidade: "Não houve resposta da amostra antes da aplicação do estímulo"
O BEST é realizado em condições controladas com os estímulos coerentes necessários no ambiente de DMA. Ele avalia as alterações nas propriedades do espécime nos domínios de tempo, fase e estímulo [9]. No pós-processamento, o BEST integra os dados, convoluciona o histórico do espécime e extrai valores desconhecidos, tudo isso sem exigir que o usuário select o modelo do material (a análise de dados é essencialmente livre de modelos). Os parâmetros invariantes obtidos com um algoritmo de regressão quântica patenteado incorporam o histórico do espécime, mostrando a posição e a direção do desenvolvimento de um biomaterial [10].
O principal recurso do BEST é o processamento invariante de dados de DMA, que geralmente não é explorado pelo usuário. Esse novo método supera as limitações comuns na linearidade das propriedades do tecido em muitos modelos, ou seja, uma propriedade de escala (homogeneidade) e uma propriedade de superposição (aditividade), que geralmente não são mantidas para a transformação de Fourier usada na viscoelasticidade linear.
Portanto, o BEST aplica um protocolo de teste correto e usa métodos idempotentes para extrair parâmetros de um único espécime/teste, resultando em dados de alto rendimento sem o uso de matemática complexa (não há necessidade de módulos complexos) ou a suposição de linearidade, e é capaz de reprocessar também outros dados de reologia de forma a não perder seu valor.
Exemplo de aplicação de DMA
No exemplo mostrado aqui, o método descrito acima foi implantado com base em medições realizadas com um NETZSCH DMA 242 Artemis® para caracterizar as propriedades do hidrogel acrílico para bioimpressão 3D sem usar um modelo presumido. O gel foi colocado em uma seringa de 1 ml com uma agulha 29G e colocado no suporte de amostras personalizado do DMA, que normalmente é usado para flexão; ele foi testado no modo de fluência gradual a 25°C.
A Figura 1 mostra os dados experimentais da quantidade de gel extrudado (µL) por meio de um bico de agulha definido, normalizado por pressão local aplicada (kPa). Esses dados revelam claramente a não linearidade da cinética do fluxo com o tempo e a pressão aplicada, e não há uma maneira direta de select qualquer modelo de material para descrever essas dependências.
A partir desses dados, o método BEST extraiu valores invariantes no tempo para a rigidez viscosa do gel sob essas condições de injeção, bem como seu valor de memória [9,10] (fig. 2). Aqui, as curvas são quase lineares, e as inclinações das linhas são quase constantes para todas as pressões aplicadas (números em kPa). Isso significa que o gel, apesar de apresentar comportamento Não newtonianoUm fluido não newtoniano é aquele que apresenta uma viscosidade que varia em função da taxa de cisalhamento ou da tensão de cisalhamento aplicada.não newtoniano, é linear em termos de valores invariantes sem modelo. Também é possível observar que os valores numéricos estão mudando com a pressão aplicada de forma não monotônica, revelando que pode haver diferentes fenômenos limitantes que afetam o fluxo. Para ver o efeito do desenvolvimento do fluxo, o gráfico dos valores de memória vs. pressão aplicada é mostrado na fig. 3. Esse mapa mostra que o gel na seringa enfrenta atrito, resistência ao fluxo e, possivelmente, efeitos de não deslizamento em baixas pressões, quando os valores de memória são muito menores do que a unidade. Após cerca de 65 kPa - o início - esses valores aumentam, indicando que o gel atinge um fluxo mais desenvolvido.
O método apresentado pode determinar valores invariantes e usá-los na previsão sem modelos de processos de bioimpressão 3D, dependendo do bocal, da geometria, da pressão, do tempo e de outras condições do processo, sem a necessidade de determinar os parâmetros reológicos da tinta separadamente. O método BEST gera dados "em primeira mão" para modelagem preditiva adicional do processo de impressão 3D e aplica a mesma filosofia para a caracterização dos tecidos e construções impressos em 3D.
RESUMO
A abordagem desenvolvida demonstra a capacidade de "ver" características invisíveis dos materiais e suas interações com os estímulos e o ambiente. Dessa forma, a análise dinâmico-mecânica (DMA) pode fornecer muito mais informações do que os módulos elásticos e a tangente de perda. Usando o processamento BEST, é possível obter muitas leituras para várias finalidades (em alguns casos, até mesmo de um único espécime ou teste). Por exemplo, é possível obter o módulo agregado, o tempo de Débora característico, a conformidade de fluência, a difusividade e a permeabilidade/permissividade efetivas do fluido, o tamanho do canal equivalente para o fluxo de fluido na dinâmica, o valor da memória do material, a pressão de dilatação e muito mais em um único experimento. E isso vai além dos biomateriais, pois o aplicativo BEST é livre de modelos e não requer nenhum parâmetro de ajuste; além disso, ele também pode ser aplicado a dados de teste já criados.
Literatura:
[1] Hubbell J.A. Nature Biotechnol. 13 (1995) 565-576.
[2] Gasik M. Sci. Techn. Adv. Mater. 18 (2017) 550-562.
[3] Chung C., Burdick J.A. Adv. Drug Delivery Rev. 60 (2008) 243-262.
[4] Gasik M., Lambert F., Bacevic M., Materials 14 (2021) 2845.
[5] Lord J.D., Morrell R. Measurement Good Practice Guide No. 98nPL Teddington, Reino Unido (2006)
[6] Ewoldt R.H., Johnston M.T., Caretta L.M. In: Complex Fluids in Biological Systems (Fluidos complexos em sistemas biológicos)springer, Alemanha (2015).
[7] Vrana N.E., Knopf-Marques H., Barthes J. (Eds.) Biomaterials for Organ and Tissue Regeneration (Biomateriais para Regeneração de Órgãos e Tecidos)woodhead Publ. UK (2020).
[8] Jammalamadaka U., Tappa K. J. Funct. Biomater. 9 (2018) 22
[9] Gasik M., Bilotsky Y. Patente US 10379106 B2 (2019).
[10] Gasik M.Patente US 10809171 B2 (2020).
Contato:
Prof. Dr. Michael Gasik, Dr. Sci.
Terkko Health Hub, Building 14
Helsinki University Central Hospital Area
Haartmaninkatu 4, FIN-00290 Helsinki
www.seqvera.com
arcMuito obrigado ao Prof. Dr. Michael Gasik por este artigo e pelas informações sobre seu trabalho de pesquisa.
