SARCOMAS E MESENQUIMOPATIAS DOENÇAS PARENQUIMATOSAS.

1. A química dos polímeros
a serviço da medicina
Luiz Henrique Catalani
Laboratório de Biomateriais Poliméricos
Instituto de Química - USP

2. Biomateriais é uma idéia antiga….
1. Esqueletos do período neolítico 32.000 anos, revelam
que já se conhecia a técnica de sutura.
2. Ouro foi usado como reparo dental por chineses,
astecas e romanos a até 2000 atrás.
3. Evidências de implantes dentários em múmias datam
de 600 AC
4. Já em 1775, ferro e latão foram eram usados para
reparo de fêmur fraturado.
5. O primeiro olho de vidro foi produzido em 1832 pelo
vidreiro Ludwig Müller-Uri em Lauscha, Alemanha.
6. Indígenas da América central e África utilizavam
pinças de formigas para costura de ferimentos.
7. George Washington (1732-1799) tinha dentes de
marfim.

3. Retrato de George Washington
por Gilbert Stuart

4. O que são biomateriais
“material intended to interface with biological
systems to evaluate, treat, augment or replace any
tissue, organ or function of the body”
ESB Consensus Conference II
Virtualmente todo indivíduo terá
contato com biomateriais por
algum tempo durante sua vida.
desempenho funcional
vs
biocompatibilidade

5. Biocompatibilidade
É a habilidade do material de atuar com uma
resposta apropriada do hospedeiro em uma
aplicação específica.
A interação de contato do biomaterial com o
ambiente biológico ocorre na interface do
material. A biocompatibilidade será
determinada pelas interações que ocorrem
nesta interface.
Onde a célula faz a ligação
(ancoragem) dependerá das
propriedades específicas da
área.
http://www.weizmann.ac.il/Structural_Biology/faculty_pages/Addadi/

6. O ambiente “in vivo” não é estático
Um dispositivo efetivo deve ser fabricado de um
material que não desordene o processo
metaestável nem a performance do dispositivo.
A vida não é uma condição estável.
É um processo dinâmico metaestável
constantemente trocando energia e material com o
mundo externo para produzir trabalho.

7. Ciência dos biomateriais
Ação
Identificação da necessidade
Desenho do dispositivo
Síntese do material
Fabricação
Esterilização e embalagem
Regulamentação
Uso clínico
Análise do explante
Facilitador
Teste do material
Teste do dispositivo
Desenhista industrial
Bioengenheiro
Advogado especialista
Patologista
Inventor
Químico (polímeros,
metal, cerâmica, etc)
Mecânico
Engenheiro
Médico/dentista/oftalmologista
Idéia
Paciente

8. Aplicações
Sistema esquelético
Sistema cardiovascular
Sistema sensorial Dentística e
periodontia
Tecidos macios
Biomateriais

9. Esquelético
Próteses de juntas
(joelho, quadril, etc)
Ti, liga Ti-Al-V,
aço inox, polietileno
Fixação de fraturas
Liga Co-Cr, aço inox
Cimento ósseo
PMMA
Ligamentos e tendões
Teflon e dracon
Discos intervertebrais
Ti, aço inox, teflon
Biomateriais

10. Lente intraocular
Hidrogel, PMMA,
borracha de silicone
Sensorial
Prótese do ouvido médio
PMMA, aço inox
Bioglass, Proplast
Duto lacrimal
PMMA
Prótese ocular
Teflon expandido,
PGMA
Biomateriais

11. Tecidos
Suporte para
pele artificial
Colágeno, hidrogel
poli(ácido lático)
Prótese mamária
Gel e borracha de silicone
Curativos
PU, hidrogéis de
PEG, PVP, CMCf
Biomateriais

12. Cardiovascular
Prótese vascular
Dacron, teflon,
poliuretano
Válvula cardíaca
Teflon expandido,
dracon, aço inox
Catéter
Borracha de silicone,
teflon, poliuretano
Coração artificial
Poliuretano, aço inox
Stents
Aço inox, NiTiNOL
coberto de teflon
Biomateriais

13. Dentística e
periodontia
Implante endósteo
Ti, alumina
fosfato de cálcio
Restaurações dentárias
compósitos a base de
bis-acrilatos reticulados
Implante subperiósteo
Liga Co-Cr-Mo (CAD/CAM)
Biomateriais

14. Desafios atuais
Biomateriais
Bioespecificidade
Cura e reação do
corpo-estranho
Medicina
regenerativa
Liberação
controlada
Adsorção de
proteínas
Materiais
furtivos
Engenharia
de tecidos

15. Classes de materiais
Biomateriais
Cerâmicas
Metais
Compósitos
Polímeros
naturais
Polímeros sintéticos

16. Classes de materiais
Biomateriais
Polímeros
naturais
Metais
Compósitos
Cerâmicas
•Alumina
•Zircônia
•Fosfato de cálcio
•Bioglass
•Formas de carbono
Polímeros sintéticos

17. Classes de materiais
Biomateriais
Polímeros
naturais
Polímeros sintéticos
Cerâmicas
Metais
Compósitos
•Fibras de:
carbono, vidro, Kevlar
adicionado a:
PC, PE, PP, PS, PTFE, PMMA...
•Hidroxiapatita, TCP...

18. Classes de materiais
Biomateriais
Polímeros
naturais
Polímeros sintéticos
Cerâmicas
Compósitos
Metais
•Aços inoxidáveis
•Titânio e ligas
•Ligas de cobalto
•Ligas com memória
de forma - NiTiNOL

19. Classes de materiais
Biomateriais
Polímeros sintéticos
Cerâmicas
Metais
Compósitos
Polímeros naturais
•Componentes da ECM
colágeno,
glicosaminoglicanos, etc
•Carboidratos
celulose modificada
agarose, quitosana, etc

20. Classes de materiais
Biomateriais
Polímeros
naturais
Polímeros
sintéticos:
Cerâmicas
Metais
Compósitos
•Hidrofílicos: PHEMA, PEO, PVP
PVA (hidrogéis)
•Hidrofóbicos: PE, PP, PVC, PTFE
PET, PLA (poliésteres)

21. Classes de materiais
Biomateriais
Cerâmicas
Metais
Compósitos
Polímeros
naturais
Polímeros sintéticos

22. poliésteres hidrogéis
Lab de Biomateriais Poliméricos

23. PET, PBT
PLLA, PGLA
PHB
PIAd
PVP
quitosana
colágeno
Lab de Biomateriais Poliméricos

24. suporte para cultura
curativos
(smart dressings)
emboloterapia
estereotaxia
liberação de fármacos
células
mesenquimais,
do endotélio,
do estroma
testes celulares
leucócitos
Lab de Biomateriais Poliméricos
PET, PBT
PLLA, PGLA
PHB
PIAd
PVP
quitosana
colágeno

25. Lab de Biomateriais Poliméricos
eletrofiação
blendas
(co) polimerização
polimerização
enzimática
microesferasmembranas
nanoesferass
nanofibers
transesterificação
compósitos
Ago NPsHAp, TCP
heparina
ácido hialurônico
AuoNPs
crosslinking
estruturas
lipofílicas
PET, PBT
PLLA, PGLA
PHB
PIAd
PVP
quitosana
colágeno

26. Hidrogéis :
o que são e para que servem
Sol

Gel

27. Hidrogéis :
o que são e para que servem
• liberação controlada de fármacos
(dispositivos)
• curativos tópicos
• lentes de contato
• bioadesivos
• encapsulação celular (transplante)
• suporte para crescimento celular
(engenharia de tecidos)
• biossensores, etc.

28. Curativos
 Leveza, qualidade não abrasiva
 Permeabilidade ao oxigênio e
vapores de água
 Atuam como dispositivo de
medicação tópica
 Transparência, permite visualizar o
processo de cura
 Impermeável a bactérias
 Capacidade de absorção do
exsudato, permite manter o
ferimento limpo por mais tempo
 Flexível, não inibe a fisioterapia
 Adesão à pele sã e não adesão
ao ferimento, permite a troca de
curativo com menos dor
P PPH
OH H2O
H2O
, e-
, e-
P P

29. Foto-reticulação sem iniciador
UV 254 nm
N O
RH

 N
O
N OH + R
N O
Lopérgolo, Lugão, Catalani, Polymer, 44, (2003) 6217

30. Foto-reticulação com iniciador
UV 254 nm + H2O2
0.0 0.2 0.4 0.6
0
25
50
75
100
80 g/L
90 g/L
100 g/L
%deGel
Dose (kJ)
P PPH
OH H2O
H2O2
h
P P
h
Fechine, Barros, Catalani, Polymer, 45, (2004) 4705

31. Fenton
[H2O2]
/Fe2+
% gel Fator de
intumesc
.
200 75 2100
140 62 2300
100 72 2600
80 64 2900
PI 0402081-2
Fe2+
Fe3+
H2O2
OH + -
OH
Fenton térmica
0 3 6 9 12
1
2
3
4
viscosidade(cP)
tempo (min)
Fechine, Barros, Catalani, Polymer, 45, (2004) 4705

32. orgânico
(H2O)
surfactante micela reversa
Nanogéis de PVP
H2O
20-200 nm

33. orgânico
(H2O+PVP)
Nanogéis de PVP
PVP
Fenton
(Fe2+,H2O2)
PVP-rPVP-r
-
nanogel

34. Amostra  (nm)* Q0
Nanogel
Colapsado
27 -
Nanogel
PVP-Fe(3+)
283 900
Nanogel
PVP-sem Fe(3+)
364 2000
Q0 =
ws -wd
wd
»
Vs ´dw
Vd ´dPVP
10 100 1000
0
2
4
6
8
10
12  = 27 nm
Frequencia(%)
Diâmetro (nm)
10 100 1000
0
2
4
6
8
10
12
 = 364 nm
Frequencia(%)
Diâmetro (nm)
10 100 1000
0
2
4
6
8
10
12
 = 283 nm
Freqüência(%)
Diâmetro (nm)
Nanogéis de PVP
Bueno, Cuccovia, Chaimovich, Catalani, Coll. Polym.Sci., 287, (2009) 705

35. 15 30 45
0
3
6
9
Frequência(%)
Diâmetro (nm)
Nanogéis de PVP
Bueno, Cuccovia, Chaimovich, Catalani, Coll. Polym.Sci., 287, (2009) 705

36. Eletrofiação
 O processo de eletrofiação foi patenteado em 1934 por A. Formhals
 O processo produz fibras com diâmetros entre 5 microns até dezenas de
nanômetros
 Mesma escala de tamanho de células e estruturas de ocorrência em matriz
extracelular.
 Possível substratos para crescimento celular e em aplicações como
curativos, liberação de fármacos e regeneração de tecidos.
 Alta área específica é ideal para técnicas de filtração, absorção e
separação
A. Small Intestinal
Submucosa - Natural ECM
B. Electrospun Type I, II
Collagen and Elastin

37. Eletrofiação
 Base coletora (alvo) serve como aterramento
 Campo elétrico aplicada fica entre 0,5 e 3 kV/cm
Bomba
Solução de polímero
Capilar
Cone de
Taylor
Alvo aterrado
Filamento
Fonte de alta
tensão

38. Eletrofiação
 O campo elétrico gera uma tensão
na solução carregada na saída do
capilar.
 O jato se afila em um formato
específico chamado de cone de
Taylor
 A tensão superficial no cone é
vencida impulsionando o fluido em
direção do alvo aterrado
 O solvente é perdido por
evaporação e o polímero vitrifica
durante o vôo até o alvo
 Ocorre um movimento de
instabilidade aerodinâmica chamado
de chicoteamento (whipping).
 Uma malha de não-tecido é
coletada no alvo
Texposição = 18 ns
Foto: Shin et al, Polymer, 42, (2001) 9955

39. 5% 10%
15% 15%
Solução de PVP/EtOH:DMF (1:1)
PVP
5%
PVP
10%
PVP
15%
Formação de
fibras
- + +
Diâmetro das
fibras
- 0,4-1,2
μm
400-
500
nm
Uniformidade
da malha
- - +
Formação de
gotas
+ - -
Condições iniciais para eletrofiação de PVP
Micrografias malhas iniciais de PVP
Malhas de PVP por eletrofiação
Fogaça, Catalani, Soft Materials, no prelo.

40. UV
FENTON
Fração gel e intumescimento
Fogaça, Catalani, Soft Materials, no prelo.

41. Comparação da quantidade
cumulativa de BSA liberada:
(▲) nanofibras de PVP –  536 nm
(●) nanofibras de PVP –  133 nm
(■) filme de PVP por evaporação
Atividade debridante
Fogaça e Catalani, Soft Materials, no prelo.
(A) Perfil de liberação de
colagenase:
membrana de fibras de
PVP –  536 nm
(B) Atividade da
colagenase

42.  Formação das AgNPs
diretamente na solução de
PVP – sem a necessidade de
agente redutor;
Nanocompósito hPVP/AgNP

43. Pseudomonas aeruginosa Staphylococcus aureus Escherichia coli
Concentração de AgNP no
hidrogel (%)
Controle
0,01 0,05 0,1 0,5 1 PVP Tetraciclina
P. aeruginosa - + + + + - +
S. aureus - - + + + - +
E. coli - + + + + - +
Concentração Mínima Inibitória
(experimento)
Valores de conc. mínima inibitória do hidrogel PVP/AgNP
Atividade bactericida de PVP/AgNP

44. Atividade fungicida
500
ppm
IM
100
ppm
DCI
C. parapsilosis
Fungi Fungicidal
Fungicidal amount (% w/w) Positive controls
0.005 0.01 0.025 0.1
PVP/
AgNP
Micon
azole
Ampho
tericin
C. albicans
Imidazole - + + + - + +
4,5-DCI + + + + - + +
C. krusei
Imidazole - - + + - + +
4,5-DCI + + + + - + +
C. parapsilosis
Imidazole - - - + - + +
4,5-DCI - + + + - + +
100
ppm
IM
C. albicans
50
ppm
DCI
C. krusei
500
ppm
IM
50
ppm
DCI
N
H
N
N
H
NNC
NC

45. Eletrofiação do PBT/PET com
colágeno
Co-solução de PBT (4%) e colágeno
tipo I de tendão bovino (2%) em TFA
Catalani, Collins, Jaffe, Macromolecules, 40 (2007) 1693.

46. Informações da Área escaneada:
112 pontos por linha e 97 linhas por imagem,
em uma área de 15 x 13 μm, dando um
total de 10864 espectros adquiridos com
tempo de aquisição individual de 0.33
segundos.
B C
(A) Região Scaneada (B) Espectros Raman (C) Imagem Confocal; Verde – PET;
Vermelho – Colágeno; Amarelo – PET + Colágeno
Microscopia Confocal Raman S4,6
A

47. 0,5-0,75 1,25-1,5 2,0-2,25 2,75-3,0
0
5
10
15
20
25
30
35
%Frequencia
Diametro (micrometro)
S4,6 antes da digestao com colagenase
S4,6 antes
Ensaio com a colagenase
0,5-0,75 1,25-1,5 2,0-2,25 2,75-3,0
0
5
10
15
20
25
30
35
%Frequencia
Diametro (micrometro)
S4,6 depois da digestao com colagenase
S4,6 depois da digestão
com colagenase

48. 0 1 2 3 4 5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Absorbancia
Tempo (dias)
PET:Col
100:00
80:20 (S8,2
)
40:60 (S4,6
)
A
B
C
Ensaio de MTT 3T3-L1 (A) PET (B) S8,2 (C) S4,6
Ensaio biológico com 3T3-L1

49. 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Absorbancia
Tempo (dias)
PET:Col
100:00
80:20
40:60
0 1 3 5 7 9 15
A
B
C
D
E
F
4 dias de incubação (A) PET (B) S8,2 (C) S4,6
7 dias de incubação (D) PET (E) S8,2 (F) S4,6
Ensaio biológico com HUVECs
C F
EB
A

50. Polímeros de fontes renováveis
O
HO
HO
OH
OH
OH
HO
O
OH
O
O
O*
*
PLLA
O
O
O
**
PHB
QUÍM.
FERM.
FERM.
OH
HO
HO
OH
OH
OH O
O
OH
HO
H
H
HO
O
O
OH
HO
O
O
OH
ISOSORBÍDEO
ÁC. SUCCÍNICO
ÁC. ITACÔNICO
QUÍM. QUÍM.
FERM.
FERM.

51. succinate
glutarate
adipate
suberate
sebacate
dodecanoate
0 10 20 30 40 50
Mw
(kDa)
cyclohexane cyclohexane: benzene 6:1
Poliésteres derivados de isosorbídeo
Juais et al Macromolecules, 43, (2010) 10315

52. Copolímeros em bloco de ácido lático e
succinato de isosorbila
Casarano et al Polymer, 50, (2009) 6218

53. Sample
WAXD
Wc,x
(%)
Tg
(oC)
Tc
(oC)
DSC
Tm
(oC)
Hm
(J g-1)
Wc,h
(%)
PLLA 64 57 n.o. 175 54 58 (50)
PIS  56 n.o. n.o.  
185-15 59 57 100 162 50 54 (56)
170-30 53 54 113 155 25 27 (31)
160-40 38 58 121 156 32 34 (40)
285-15 49 61 n.o. 164 34 37 (45)
270-30 38 58 n.o. 155 23 25 (12)
260-40 26 63 n.o. 155 1 1 (27)
3  58 n.o. n.o.  
Sample
a ()
(H2O) (CH2I2)
Surface energy (mN m-1)
s s
d s
p
PLLA 82 ± 2 54 ± 2 40 ± 2 33 ± 2 7 ± 2
286-14 72 ± 2 35 ± 1 53 ± 2 42 ± 2 11 ± 2
274-26 82 ± 2 22 ± 1 54 ± 2 47 ± 2 7 ± 2
264-36 82 ± 2 23 ± 2 54 ± 2 47 ± 2 7 ± 2
3 66 ± 3 18 ± 1 62 ± 3 48 ± 3 14 ± 3
Collagen   48 (lit)  
Copolímeros em bloco de ácido lático e
succinato de isosorbila

54. Copolímeros de ácido lático e
succinato de isosorbila como biomateriais
Casarano et al Polymer, 50, (2009) 6218

55. Copolímeros de ácido lático e
succinato de isosorbila como biomateriais
PLLA
285-15
270-30
260-40
Casarano et al Polymer, 50, (2009) 6218

56. Projetos em andamento
•Produção de nanofibras alinhadas de polímeros biodegradáveis para
crescimento e regeneração de células neurais
(Daniel de Souza Alcobia – Mestrado)
•Estudo da matriz extracelular (ECM) decelularizada para o desenvolvimento
de ECMs artificiais
(Mariana Carvalho Burrows – Doutorado)
•Produção de suportes poliméricos para o crescimento de células-tronco
mesenquimais e sua aplicação em regeneração óssea
(Ricardo Bentini – Doutorado)
•Desenvolvimento de matrizes poliméricas eletrofiadas para regeneração de
membranas timpânicas perfuradas
(Ana Paula Serafini Immich – Pós-doutorado)
•O uso de matrizes poliméricas eletrofiadas e células troncos de polpa
dentária e de adipócitos na engenharia dos tecidos periodontais
(Flávia Gonçalves – Pós-doutorado)

57. • Alliny Naves (PD)
• Flávia Gonçalves (PD)
• Renata Fogaça (PD)
• Ana Paula Serafini Immich (PD)
• Ricardo Bentini (D)
• Mariana C. Carvalho (D)
• Daniel Alcobia (M)
• Leonardo Barizon (M)
• Daniel Franco Minatelli (IC)
• Flávia Caetano Cara (IC)
• Felipe de Miranda Barbosa (IC)
• Nathália Regina P. de Oliveira (IC)
• Mayara Sguerra (IC)
• Henrique Tadeu Fernandes (IC)
• Vitor Zamarion (D)
• Prof. Hernan Chaimovich (IQUSP)
• Prof. Iolanda Cuccovia (IQUSP)
• Prof. Henrique Toma (IQUSP)
• Prof. Koiti Araki (IQUSP)
• Prof. Denise Petri (IQUSP)
• Prof. Maria Rita P. Bueno (IBUSP)
• Prof. Célia Garcia (IBUSP)
• Prof. Ana Campa (FCF-USP
• Prof. Michael Jaffe (NJIT-USA)
• Prof. George Collins (NJIT-USA)
• Prof. Richard Gross (Poly-NYU-USA)
• Guilhermino Fechine (PD)
• Janaína A.G. Barros (PD)
• Vânia B. Bueno (D)
• Antonio J.C. Brant (D)
• Romeu Casarano (D)
• Danielle Juais (M)
Agradecimentos