A impressão 3D na medicina e sua aplicação na engenharia de tecidos


Reportagem da revista Unesp Ciência sobre impressão 3D cita o Núcleo de Tecnologias Tridimensionais do CTI

A imagem mostra uma impressão em 3D do coração feita com tecido humano pela universidade de Tel AvivEstima-se que há 600 milhões de pessoas no mundo com 60 anos ou mais, e isso poderá dobrar até 2025, atingindo dois bilhões em 2050. O impacto econômico de morbidade nessa população representa exige soluções rápidas e eficazes. A área de Biomateriais é uma das mais importantes da indústria farmacêutica e de dispositivos biomédicos e vem pesquisando soluções para as necessidades deste grupo potencial. Dentro dessa área, a tecnologia de impressão 3D tem chamado atenção no campo da engenharia de tecidos e na ciência dos biomateriais pelo seu grande potencial de utilização na fabricação de substitutos artificiais. Enxerto ósseo autógeno é 2º tipo de transplante de tecido mais frequente em todo o mundo após transfusão de sangue. Avanços recentes em tecnologias de impressão 3D podem, em breve, permitir a geração de grandes enxertos ósseos ”bioartificiais” com arquitetura personalizada e específica do paciente (customização). Técnica de fabricação rápida e economicamente viável.

Um exemplo é o emprego da impressão 3D para produzir osso sintético, uma vez que a tendência de envelhecimento da população implicará na falta de osso autógeno (osso proveniente da própria pessoa). A impressão 3D representa aí um grande avanço científico e tecnológico, pois incorpora os conceitos da nova Revolução Industrial 4.0, dentro da ideia de universalizar a customização de peças para serem empregadas no tratamento da Regeneração do Tecido Osseo.

A Indústria 4.0, ou como também é chamada, 4ª revolução industrial, ou seja “universalizar a customização de peças”, para serem empregadas no tratamento da regeneração do tecido osseo está diretamente relacionada com as organizações de fábricas construídas com sistemas ciber-físicos altamente inteligentes, possibilitando alcançar níveis sem precedentes de eficiência operacional, previsibilidade de tratamento e crescimento acelerado da produtivade. Além disso, devido à alta flexibilidade de produção e integração dos clientes com parceiros, o novo conceito industrial suportará, em larga escala, a individualização de produtos, gerando maior valor agregado para as empresas e preços compatíveis com os tratamentos realizados. Para realizar essa façanha, contudo, é necessária uma equipe multidisciplinar.

A impressão 3D e suas aplicações
A tecnologia de impressão tridimensional (3D) foi introduzida no início da década de 1980 pelo engenheiro norte-americano Charles W. Hull (3D Systems Corporation, EUA) e denominada Estereolitografia. Nas últimas décadas, essa tecnologia se aprimorou significativamente e, hoje em dia, a impressão 3D tem uma ampla gama de aplicações em pesquisa, engenharia, área médica, militar, construção, arquitetura, moda, educação, indústria de computadores e muitas outras.

A impressão 3D é um dos muitos processos de manufatura aditiva, enquanto a maioria dos processos tradicionais de fabricação é baseada em técnicas subtrativas: a partir de um objeto com uma forma inicial, o material é removido (desgaste, corte) até que a forma desejada seja obtida. Já a impressão 3D é baseada na adição de camadas sobre camadas de material para obter a forma ou o objeto desejado, usando imagens tridimensionais para criar objetos a partir de materiais como cerâmicas, metais, plásticos e polímeros.

O mercado global da indústria de impressão 3D em 2015 foi de 308 milhões de dólares, e a expectativa para o ano de 2020 é que passe de 1 bilhão de dólares. Apesar disso, a impressão 3D ainda tem desafios que precisam ser superados, como o desenvolvimento de novos biomateriais.

As impressoras 3D já vêm sendo usadas na área de saúde para criar implantes personalizados a partir de dados de ressonância magnética, tomografia computadorizada e ultrassonografia, utilizados na Odontologia e Medicina. Outras aplicações estão sendo desenvolvidas na obtenção de drogas e até na impressão de órgãos.

A engenharia de tecidos
Em 1993, o Dr. Joseph P. Vacanti (Massachusetts General Hospital e Harvard Medical School, Boston, nos EUA) e o Dr. Robert S. Langer (Massachusetts Institute of Technology, em Cambridge, EUA) divulgaram na revista Science, uma das mais prestigiadas do mundo acadêmico, um artigo que se tornou referência no assunto onde divulgavam as novas tecnologias: Uma nova área, Engenharia de Tecidos, aplica os princípios da biologia e engenharia ao desenvolvimento de substitutos funcionais para tecidos danificados.

De lá para cá, as pesquisas na Engenharia de Tecidos têm sido amplamente realizadas nos campos da regeneração ou substituição de partes do corpo ou órgãos. A impressão 3D é usada como uma ferramenta para produzir um Scaffold (estruturas tridimensionais), combinando células-tronco e fatores de crescimento, a partir do qual o tecido é gerado. Tal tecnologia melhorou significativamente a capacidade de controlar as propriedades dos Scaffolds, que podem ser usados em aplicações biomédicas para substituir ou regenerar os tecidos na sua forma e função.

No Brasil, há mais de 20 anos, o Dr. Jorge Vicente Lopes da Silva criou e coordena o Núcleo de Tecnologias Tridimensionais (NT3D) do Centro de Tecnologia da Informação (CTI) Renato Archer (Campinas, SP). O NT3D é um centro de referência na utilização da impressão 3D para aplicações biomédicas, desenvolvendo pesquisas de ponta e colaboram com Universidades, Hospitais e cirurgiões.

Com o advento das tecnologias de imageamento 3D tais como tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética nuclear (RMN), constata-se um grande impulso nas atividades de diagnóstico e planejamento cirúrgico. Associado à impressão 3D, essas atividades tiveram impulso ainda maior, pela geração dos biomodelos físicos que são réplicas da região de interesse da cirurgia. Com esses biomodelos físicos, as atividades de diagnóstico e planejamento cirúrgico são facilitadas, além permitir o desenvolvimento de modelos de implantes de placas de titânio e realizar treinamento cirúrgico.

Benefícios para a medicina
Os principais benefícios do uso das tecnologias 3D, em especial da impressão são: a) a avaliação detalhada de casos complexos, maior previsibilidade e aumento considerável na segurança e confiabilidade nos procedimentos cirúrgicos; b) realização do planejamento cirúrgico completo e confecção de prótese personalizada; c) cirurgias menos invasivas e mais seguras; d) considerável redução no tempo cirúrgico e riscos intrínsecos; e) melhor reabilitação e recuperação mais rápida do paciente com a melhoria da sua qualidade de vida; f) redução de custos dos sistemas de saúde (público e privado) e do seguro (previdência social).

Avanços nas aplicações da impressão 3D na saúde têm sido notáveis em áreas como a produção de implantes, próteses personalizadas, dispositivos médicos e odontológicos, dispositivos para reabilitação, tecnologias assistivas, equipamentos e instrumental cirúrgico, como guias de corte e furação, entre tantas outras aplicações. Esse processo continua em franco crescimento em todo o mundo e deverá demorar ainda muito tempo para atingir o seu pleno potencial de aplicação, o que tende a contribuir ainda mais com soluções que melhoram a qualidade e aumentam a segurança de cirurgias complexas e a reabilitação de pacientes.

Além das aplicações acima citadas, que apesar de bastante consolidadas em países desenvolvidos, ainda há muito espaço para pesquisas e desenvolvimento, pois a impressão 3D vem também possibilitando o aparecimento de tecnologias associadas que, no longo prazo, mudarão os rumos da medicina, como a biofabricação. Uma dessas tecnologias que tem sido foco de pesquisas nos últimos anos é a produção de tecidos e órgãos humanos por meio da bioimpressão de órgãos, acenando com enorme potencial de suprir a deficiência mundial de órgãos e tecidos para transplantes por meio da biofabricação.

As tecnologias utilizando-se a impressão 3D na área da saúde, mostram uma complexidade estimada crescente de acordo com o nível de naturalidade da solução empregada, bem como a necessidade de se ampliar as pesquisas científicas buscando estas soluções tecnológicas.

Estado atual da impressão 3D
A tecnologia de impressão 3D tem chamado atenção no campo da Engenharia de Tecidos e da Ciências dos Biomateriais devido ao seu grande potencial na fabricação de substitutos artificiais. A técnica é de fabricação rápida e economicamente viável, permitindo a personalização dos dispositivos fabricados para serem empregados como biomateriais.

Na área da saúde, a impressão 3D e os bioplásticos estão sendo usados na criação de modelos anatômicos para auxiliar cirurgiões no planejamento cirúrgico, na obtenção de guias cirúrgicos, no treinamento e educação médica, na produção de dispositivos médicos personalizados, tais como próteses do crânio ou bucomaxilofaciais. Usando esses dispositivos, os profissionais da saúde podem fornecer soluções mais precisas reduzindo os possíveis riscos aos pacientes.

Parceria com Massachusetts General Hospital
O tratamento de grandes defeitos ósseos bucomaxilofaciais é clinicamente desafiador devido à geometria complexa dos ossos e à disponibilidade limitada de enxertos ósseos removidos do próprio paciente. A capacidade de regenerar tecido ósseo que reproduza fielmente a anatomia do paciente revolucionaria as opções de tratamento. Avanços no campo da engenharia de tecido ósseo nas últimas décadas oferecem alternativas promissoras usando Scaffolds biocompatíveis e células-tronco coletadas do próprio paciente. Esta abordagem, combinada com os avanços recentes em tecnologias de impressão 3D pode, em breve, permitir a geração de grandes enxertos ósseos bioartificiais com arquitetura personalizada e específica do paciente.

As pesquisas lideradas pela Dra. Maria J. Troulis, chefe do Department of Oral and Maxillofacial Surgery do Massachusetts General Hospital e da Harvard School of Dental Medicine (em Boston, nos Estados Unidos), concentram-se no tratamento de grandes defeitos ósseos da mandíbula. Um dos membros desta equipe, Fernando Guastaldi, atua desde o início do seu pós-doutorado na Faculdade de Odontologia de Araraquara da Unesp, em 2017, junto à equipe no MGH, sob a supervisão da Dra. Troulis. Com o apoio da Fapesp (via Programa de Pós-Doutorado), o pesquisador tem trabalhado na condução de estudos pré-clínicos (em animais) empregando a impressão 3D de biomateriais associados a células-tronco coletadas da medula óssea.

Há mais de 15 anos este grupo, que conta com a colaboração de um dos “pais” da Engenharia de Tecidos, Dr. Joseph P. Vacanti, tem divulgado os resultados promissores de seus estudos pré-clínicos e translacionais, visando a transferência de resultados de pesquisa básica para pesquisas clínicas, a fim de produzir benefícios para a comunidade como um todo, ou seja, passar da teoria para a prática, O próximo passo será a condução de estudos clínicos em humanos para viabilizar essa modalidade de terapia aos pacientes.

O futuro da impressão 3D
As expectativas em torno dessa tecnologia são frequentemente exageradas pela mídia, alguns setores do governo e até mesmo pesquisadores. A falta de regulamentação pela Anvisa, para a comercialização dos dispositivos médicos impressos também pode representar uma barreira inicial para o emprego em larga escala dessa tecnologia na saúde.

Mesmo nesse cenário, grandes avanços da impressão 3D têm sido obtidos especialmente em decorrência da redução dos custos envolvidos e da maior acessibilidade à tecnologia. Muitas soluções médicas que empregam a impressão 3D já estão em fase experimental, em estudos pré-clínicos e clínicos, demonstrando resultados promissores.

Um futuro com tratamentos médicos altamente personalizados, contrários ao conceito “one size fits all” (“um tamanho serve para todos”), já estão sendo praticados. A medicina de precisão está em foco e tem se tornando cada vez mais relevante para a prática clínica baseada em evidências científicas.

Impressão 3D e Anvisa
Salientamos, também, a importância deste trabalho que está diretamente relacionada com a regulamentação da Anvisa, uma vez que a agência ainda não estabeleceu um conjunto de normas específicas para utilização de scaffolds aplicados para regeneração do tecido óssea, em humanos, obtidos a partir da tecnologia de impressão 3D. O desenvolvimento deste Projeto Temático irá fornecer subsídios para auxiliar a Anvisa nessas questões, tendo em vista a ausência dessas normas podem trazer barreiras que inviabilizem a comercialização dos dispositivos médicos impressos (chamados Patient Specific Implants), representando uma dificuldade inicial para o emprego em larga escala dessa tecnologia na saúde.

Texto de Antonio Carlos Guastaldi e Fernndo P.S. Guastaldi para a revista UNESP CIÊNCIA.

Leia mais em: http://unespciencia.com.br/2019/04/01/3D-106/