Este artigo selecionou 6 estudos originais publicados entre 2016 e 2024, envolvendo equipes e trabalhos colaborativos da China, do Reino Unido, dos Estados Unidos, da Irlanda e da Coreia do Sul, para uma revisão narrativa. Como exemplo de “outros tecidos”, foram utilizadas culturas de músculo esquelético; a literatura selecionada abrange materiais, estudos in vitro e em animais, mas não inclui ensaios de eficácia em humanos.
01Tendões, cartilagens e músculos exigem soluções estruturais diferentes
Todas essas direções podem empregar estruturas fibrosas, mas não podem compartilhar o mesmo critério de que “quanto maior o desempenho, melhor”. A pesquisa sobre tendões e ligamentos costuma focar na tração axial e no alinhamento celular; a pesquisa sobre cartilagem precisa lidar simultaneamente com compressão, estrutura em camadas e formação da matriz; já a pesquisa sobre músculo esquelético relaciona o alinhamento celular, a formação de miocondutos e a cocultura com células relacionadas aos vasos sanguíneos.1,2,3,4,5,6
| Direções de aplicação | Formas estruturais nos estudos | Avaliação correspondente |
|---|---|---|
| Reparo de tendões e ligamentos | Filmes alinhados, feixes de fibras enroladas e compósitos tecidos/eletrofiados | Tração, ingresso tecidual, alinhamento do colágeno e resistência do reparo 1,2 |
| Engenharia de tecido cartilaginoso | Arcabouços segmentados, matrizes reforçadas com fibras e vetores núcleo-casca | Compressão, fenótipo celular, matriz cartilaginosa e reparo de defeitos 3,4,5 |
| Engenharia de tecido muscular esquelético | Fibras orientadas e arcabouços de suporte, cocultura celular | Alinhamento das células musculares, formação de miocondutos e marcadores de diferenciação 6 |
Também se deve distinguir entre arcabouços para reparo de tendões e membranas antiaderência pós-operatória para tendões. Os primeiros visam permitir que as células-alvo ingressem e formem um tecido organizado; as últimas focam no isolamento dos tecidos adjacentes e na proteção da superfície de deslizamento. Mesmo que o nome do material seja o mesmo, a estrutura de poros e os requisitos de superfície desses dois tipos de amostras podem ser diferentes; este artigo discute estruturas para reparo tecidual.1,2
02Qual etapa a eletrofiação desempenha em arcabouços compósitos?
A camada eletrofiada pode constituir a estrutura principal ou assumir apenas a orientação por contato, a modulação da interface ou a liberação localizada. Filmes alinhados podem ainda ser enrolados em feixes e compósitos com estruturas tecidas com fios mais grossos; quando empregados em cartilagem, as fibras eletrofiadas também podem ser dispersas como fibras curtas em matrizes imprimíveis. Antes de escolher o processo, deve-se definir se as fibras permanecerão contínuas, formarão feixes ou camadas, ou serão dispersas como componente de reforço.1,2,4
Estudos que combinam múltiplos processos merecem atenção especial. Arcabouços tecidos ou estruturas impressas podem fornecer forma e suporte em escala maior, enquanto as fibras finas modulam o ambiente local de contato celular. O resultado final pertence ao sistema combinado como um todo, exigindo a verificação simultânea da direção das fibras, da porosidade, da adesão interfacial e da mecânica no estado úmido; o desempenho total do arcabouço compósito não pode ser atribuído a um único equipamento ou processo isolado.2,3,4,6
03Tendões e ligamentos: de filmes alinhados a arcabouços compósitos graduados
O mesmo PCL, alterando o alinhamento e o método de enrolamento em feixes
Pauly e outros, no ano 2016, compararam filmes planos e feixes de fibras enroladas fabricados com fibras aleatórias ou orientadas de PCL, avaliando o impacto da geometria nas propriedades mecânicas e no comportamento celular. Os estudos constataram que diferentes estruturas apresentam módulos, comportamentos de escoamento e extensões celulares distintos; células-tronco de origem adiposa mantiveram-se viáveis e proliferaram durante 7 dias de cultura. Este estudo de materiais e in vitro demonstra que a forma como as fibras são organizadas constitui, por si só, uma variável de projeto, e não apenas a formulação do polímero.1
O artigo relaciona alguns indicadores mecânicos com as faixas de ligamentos naturais, mas isso não significa que os feixes de fibras já possam substituir ligamentos em humanos. Para estruturas de reparo que suportam tração repetida a longo prazo, os resultados iniciais de tração ainda precisam ser articulados separadamente com o estado úmido, a fadiga, os métodos de fixação e a integração tecidual.1
Abrir gradualmente a camada de suporte, mantendo as pistas de orientação
Xie e outros, no ano 2024, combinaram uma camada tecida degradável gradiente, composta por PGA e fios de seda, com uma camada eletrofiada que fornecia orientação direcional. O componente de degradação mais rápida formou progressivamente canais de ingresso, enquanto a camada eletrofiada forneceu, em diferentes fases, pistas para o alinhamento celular e do colágeno. O estudo observou a infiltração e o alinhamento tecidual em defeitos do tendão de Aquiles de ratos, realizou avaliações mecânicas na semana 8 e relatou melhorias no reparo.2
A lição desse estudo animal é projetar a “estrutura no momento da implantação” e a “estrutura após a degradação” como um processo contínuo. O simples aumento da porosidade inicial ou da espessura das nanofibras pode alterar o equilíbrio entre suporte e ingresso; por isso, é necessário observar todo o arcabouço compósito ao longo do tempo.2
04Reparo de cartilagem: de estruturas segmentadas a matrizes reforçadas com fibras
Formar diferentes regiões estruturais por meio da combinação de processos
A equipe britânica Munir e outros, no ano 2019, combinaram impressão a baixa temperatura e eletrofiação para construir um arcabouço multifásico de PCL com diferentes orientações de fibras e estruturas porosas. Células-tronco mesenquimais aderiram e sobreviveram durante 4 semanas de cultura in vitro, mantendo características relacionadas aos glicosaminoglicanos. O estudo apoia a exploração de estruturas segmentadas como plataforma para cultura de cartilagem; contudo, não demonstrou diretamente que a cartilagem articular já tenha recuperado sua função normal em animais ou pacientes.3
Fibras curtas eletrofiadas também podem servir como componente de reforço em arcabouços tridimensionais
Weiming Chen e outros, no ano 2020, relataram o tratamento de fibras eletrofiadas de gelatina/PLGA para transformá-las em fibras curtas dispersas, adicionadas à tinta de impressão de matriz descelularizada de cartilagem. O arcabouço resultante combinou forma predeterminada, estrutura interna porosa e mecânica no estado úmido, além de ter relatado melhorias no reparo de defeitos de cartilagem articular em coelhos. Nesse caso, a eletrofiação forneceu principalmente o componente de reforço; a amostra final foi constituída conjuntamente por fibras, matriz descelularizada e modelagem subsequente.4
Fibras com núcleo e revestimento introduzem a liberação localizada em estudos com condrocitos
Em Wei Chen e 2020, pesquisadores utilizaram eletrofiação coaxial para encapsular sulfato de glicosamina em fibras de PCL, avaliando a estrutura, a liberação e a resposta in vitro de condrocitos da articulação de ratos. Os resultados apoiam a exploração do material como promotor do crescimento celular sob condições específicas de cultura, mas as evidências permanecem no nível celular. O objetivo de “regeneração da cartilagem” não pode ser expresso diretamente como reparo já realizado de defeitos cartilaginosos.5
05Estudos com músculo esquelético permitem que o alinhamento e a interação celular ocorram simultaneamente
Em Yeo e Kim, uma equipe coreana combinou, em 2020, a eletrofiação celular com impressão de 3D para construir, sobre uma estrutura de suporte de colágeno de PCL/, fibras de alginato contendo células endoteliais da veia umbilical humana (HUVECs), que posteriormente foram inoculadas com mioblastos de C2C12 para cocultura. O estudo observou melhorias no alinhamento celular, na morfologia relacionada aos miotúbulos e na expressão de genes miogênicos, associando as pistas direcionais das fibras à cooperação entre diferentes tipos celulares.6
Trata-se de uma plataforma in vitro para engenharia de tecido muscular esquelético; a participação de células endoteliais na cultura não pode ser equiparada à estabelecimento de vasos perfundíveis, nem os marcadores de miotúbulos podem ser usados para inferir recuperação da força muscular. Sua relevância para o desenvolvimento de materiais reside em propor variáveis que podem ser estudadas separadamente: como a estrutura de suporte é fixada, como as fibras orientam as células, quais tipos celulares são posicionados onde e como as interações são verificadas.6
A eletrofiação celular também difere do processo de preparação prévia de fibras sem células seguida de inoculação. O primeiro exige um projeto específico voltado para o estado celular vivo, a bioimpressão e o ambiente operacional; os parâmetros de processo da eletrofiação convencional com solventes não podem ser transferidos diretamente para sistemas com células vivas.6
06Da semelhança estrutural à função tecidual: as evidências precisam ser conectadas gradualmente
Esses artigos demonstram conjuntamente o valor do design de alinhamento, compartimentação e compósito de fibras, mas respondem a questões distintas. Os feixes de fibra de Pauly, o arcabouço cartilaginoso de múltiplas zonas de Munir, as fibras com núcleo e revestimento de sulfato de glicosamina e a plataforma de cocultura de Yeo baseiam-se principalmente em materiais ou experimentos in vitro; o arcabouço para tendão de Aquiles de Xie e o arcabouço composto para cartilagem de Weiming Chen avançaram para estudos correspondentes em modelos animais com defeitos.1,2,3,4,5,6
O colágeno organizado do tendão, os glicosaminoglicanos ou o colágeno do tipo II da cartilagem, bem como os marcadores miogênicos do músculo, ajudam a compreender o processo de reparo, mas não podem substituir-se uns aos outros nem representar, isoladamente, a função a longo prazo. Ao interpretar os resultados, devem ser mantidos o local do tecido, a espécie animal, o período de avaliação e as condições de controle. A literatura selecionada neste artigo não fornece ensaios de eficácia em humanos, portanto não se pode afirmar, com base nisso, se existem outros estudos humanos em toda a área.1,2,3,4,5,6
07Converter as necessidades do tecido em amostras que possam ser preparadas e testadas
A orientação do tendão pode ser descrita inicialmente especificando se a amostra é um patch plano, um feixe de fibras enrolado ou um compósito trançado, além da direção principal de carga e do método de fixação; a orientação da cartilagem pode descrever a espessura, a compartimentação, os requisitos de compressão e se as fibras devem ser combinadas com hidrogel ou matriz descelularizada; a cultura de músculo esquelético pode começar pelos tipos celulares, pela orientação e pelo suporte de cultura. Informações diferentes correspondem a configurações distintas de coleta e compósito.
Para amostras orientadas, devem ser registrados a distribuição da direção das fibras e as diferenças axial e transversal; para arcabouços estratificados, devem ser verificados a ligação entre as camadas e a deformação em estado úmido; para sistemas reforçados com fibras curtas, a dispersão e a distribuição de comprimento das fibras devem ser avaliadas juntamente com a conformação subsequente. Durante a produção contínua ou a ampliação da área, também é necessário verificar se diferentes locais mantêm estruturas semelhantes, evitando que as médias mascarem diferenças locais.
Resíduos de solvente, limpeza, esterilização e biocompatibilidade devem ser avaliados em conjunto com o sistema do material. Se o sistema contiver proteínas, fármacos ou células vivas, a atividade correspondente e a tolerância ao tratamento também devem ser verificadas. O registro do processo, a caracterização estrutural e a avaliação biológica devem corresponder entre si para determinar a origem das diferenças entre as amostras e, com base nisso, discutir a funcionalidade do equipamento.1,2,3,4,5,6
08Problemas comuns no desenvolvimento de arcabouços para tendão, cartilagem e músculo
Com fibras orientadas, é possível alcançar a regeneração do tendão?
A orientação é uma pista estrutural valiosa, mas precisa ser coordenada com a entrada celular, a manutenção do suporte e a remodelação tecidual. Os resultados in vitro de uma membrana plana e o reparo de um defeito completo do tendão de Aquiles pertencem a estágios distintos de evidência.1,2
A eletrofiação só pode produzir membranas finas?
Não. A literatura inclui feixes de fibras enrolados, arcabouços tridimensionais combinados com estruturas trançadas ou impressas, além de fibras curtas como componente de reforço. A forma final deve ser determinada de acordo com a aplicação e articulada com o pós-tratamento correspondente.1,2,3,4
O arcabouço para cartilagem precisa obrigatoriamente adotar uma estrutura com núcleo e revestimento para carregamento de fármacos?
Não necessariamente. Geometria compartimentada, reforço com fibras e liberação localizada representam rotas de pesquisa distintas. Deve-se primeiro definir se o objetivo é resolver a distribuição celular, o suporte em estado úmido ou a entrega de componentes biológicos, para então selecionar a estrutura correspondente.3,4,5
Referências
A seguir, apresentam-se os estudos originais utilizados neste artigo, resumidos de forma independente pela TONGLI. A interpretação da literatura não indica que os autores dos artigos, as instituições de pesquisa ou a TONGLI mantenham relações de compra de equipamentos ou de cooperação. O escopo específico de leitura consta nas observações de cada referência bibliográfica.
As referências bibliográficas mantêm o idioma original da publicação para facilitar a consulta.
Pauly HM, Kelly DJ, Popat KC, et al. Mechanical properties and cellular response of novel electrospun nanofibers for ligament tissue engineering: Effects of orientation and geometry. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016;61:258–270.
DOI：10.1016/j.jmbbm.2016.03.022 ↗Âmbito da leitura: texto original completo local, com verificação de PubMed e dos registros da instituição do autor
Xie X, Wang X, Ding D, et al. Multilayer woven scaffolds with gradient degradation and nano guidance properties for tendon reconstruction: Continuously promoting tissue infiltration and inducing tissue alignment. Nano Today. 2024;56:102277.
DOI：10.1016/j.nantod.2024.102277 ↗Âmbito da leitura: texto original completo local, com verificação dos métodos de trançamento/eletrofiação, do modelo de tendão de Aquiles em ratos e da avaliação mecânica semanal de 8; verificação das páginas da revista
Munir N, McDonald A, Callanan A. A combinatorial approach: Cryo-printing and electrospinning hybrid scaffolds for cartilage tissue engineering. Bioprinting. 2019;16:e00056.
DOI：10.1016/j.bprint.2019.e00056 ↗Âmbito da leitura: texto original completo local e resumo da revista; o arquivo local inclui a correção suplementar da declaração de interesses de 2020
Chen W, Xu Y, Li Y, et al. 3D printing electrospinning fiber-reinforced decellularized extracellular matrix for cartilage regeneration. Chemical Engineering Journal. 2020;382:122986.
DOI：10.1016/j.cej.2019.122986 ↗Âmbito da leitura: texto original completo local, com verificação do resumo, dos métodos e das conclusões originais da revista
Chen W, Wang C, Gao Y, et al. Incorporating chitin derived glucosamine sulfate into nanofibers via coaxial electrospinning for cartilage regeneration. Carbohydrate Polymers. 2020;229:115544.
DOI：10.1016/j.carbpol.2019.115544 ↗Âmbito da leitura: texto original completo local, com verificação de PubMed e do resumo da revista; para experimentos in vitro com condrocitos
Yeo M, Kim G. Micro/nano-hierarchical scaffold fabricated using a cell electrospinning/3D printing process for co-culturing myoblasts and HUVECs to induce myoblast alignment and differentiation. Acta Biomaterialia. 2020;107:102–114.
DOI：10.1016/j.actbio.2020.02.042 ↗Âmbito da leitura: texto original completo local e resumo de PubMed; para cocultura celular in vitro
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