Gelatina funcionalizada à medida – fabricada com resultados reprodutíveis

A gelatina não serve apenas para dar coesão a gomas em forma de ursinhos, pudins cremosos e cápsulas moles. Graças à sua capacidade de formar películas sem costuras e mecanicamente estáveis, este biopolímero é também muito procurado para revestimentos, como em têxteis, papel ou película fotográfica, onde a gelatina atua como veículo para pigmentos e produtos químicos. Esta proteína natural é também altamente biocompatível, tornando-a adequada para aplicações na área dos cosméticos e da medicina, por exemplo, como veículo para ingredientes ativos e corantes ou como penso para feridas com capacidade de inchaço.

No entanto, é frequentemente necessário adaptar especificamente as propriedades do material, por exemplo, para utilização na bioimpressão 3D. Devido ao seu comportamento de gelificação dependente da temperatura, a gelatina só é fluida a temperaturas mais elevadas, mas perde a sua estabilidade dimensional em condições fisiológicas. Nesses casos, o Instituto Fraunhofer de Engenharia Interfacial e Biotecnologia (IGB) otimiza as propriedades da gelatina para satisfazer requisitos específicos, recorrendo a reações de modificação química.

«Para utilização na bioimpressão, modificamos a gelatina de forma a podermos ajustar especificamente tanto as propriedades da bio-tinta como a estabilidade estrutural após a impressão», explica o Dr. Achim Weber, diretor da Divisão de Biofabricação e Desenvolvimento de Materiais do Fraunhofer IGB. Para além dos pontos de gelificação e de fusão — e, consequentemente, do comportamento de gelificação —, a viscosidade, a solubilidade e a carga do biopolímero também podem ser adaptadas à aplicação específica.

Um conjunto de ferramentas para a funcionalização personalizada

No contexto da bioimpressão, os investigadores utilizam normalmente anidrido metacrílico para tornar a gelatina reticulável. «A gelatina metacrilada combina a biocompatibilidade da gelatina com a capacidade de cura sob luz UV», explica Melanie Dettling, que realiza e monitoriza as modificações químicas no laboratório. Assim que a gelatina modificada é exposta à luz UV — com a ajuda de um fotoiniciador — após o processo de impressão, ela reticula-se para formar um hidrogel sólido. Neste caso, o material imita a própria matriz extracelular (MEC) do corpo e, como estrutura de suporte, favorece a adesão, o crescimento e a diferenciação das células, permitindo a formação de novo tecido.

A gelatina modificada desta forma foi utilizada no projeto da UE TriAnkle, em conjunto com colagénio e colagénio modificado. Neste contexto, os biomateriais serviram como um sistema de administração personalizado para células e fatores de crescimento. Estudos pré-clínicos que utilizaram implantes personalizados para defeitos na articulação do tornozelo demonstraram uma regeneração significativamente melhorada do tecido tendinoso e cartilaginoso, respostas inflamatórias reduzidas e uma cicatrização acelerada.

Dependendo da aplicação pretendida, outras funcionalizações também podem alcançar os resultados desejados. «Por exemplo, introduzimos grupos tiol nos biopolímeros para permitir a reticulação através das chamadas reações de “clique”», explica Dettling. A reticulação pode, assim, ocorrer de várias formas — fotoquimicamente, utilizando radiação UV, termicamente ou através de reações químicas.

Utilizando o seu sistema modular flexível, os investigadores também conseguiram aumentar a carga positiva da gelatina. Num teste rápido no local de atendimento, esses hidrogéis de gelatina catiônicos foram utilizados com sucesso para incorporar componentes-chave da reação e imobilizar as moléculas-alvo com carga negativa.

Processo automatizado e padronizado para propriedades consistentes do material

Para testar as propriedades do material otimizado, os parceiros da investigação e da indústria necessitam normalmente de quantidades maiores dos biopolímeros funcionalizados. Para permitir a produção escalável e reprodutível de gelatina funcionalizada, a equipa de desenvolvimento de materiais do Fraunhofer IGB estabeleceu agora novos processos em sistemas de reatores automatizados.

Nos reatores automatizados, todos os parâmetros relevantes do processo são sistematicamente registados e ajustados de acordo com um procedimento operacional padrão (SOP) especialmente definido — desde a temperatura e o fluxo de entrada de, por exemplo, anidrido metacrílico, até ao valor do pH e à quantidade de solução de hidróxido de sódio adicionada. Dettling conseguiu demonstrar que o grau de metacrilação resultante da gelatina no reator de 1 litro é linearmente proporcional ao excesso de anidrido metacrílico na solução de alimentação — uma descoberta que não tinha sido possível demonstrar desta forma durante a produção manual num balão.

«No nosso reator de 1 litro, conseguimos agora produzir de forma reprodutível 100 gramas de gelatina modificada com uma qualidade absolutamente consistente», afirma Dettling. O químico aplicado está atualmente a transferir o controlo padronizado do processo para reatores com volumes de 5 e 10 litros, a fim de demonstrar que as propriedades do material permanecem reprodutíveis mesmo com um aumento de escala. Num único lote, é então possível produzir até um quilograma de gelatina funcionalizada.

Funcionalizações comparáveis de quantidades de amostra

O controlo automatizado do processo permite realizar diferentes funcionalizações químicas em condições de processo padronizadas, permitindo assim que os efeitos das modificações sejam comparados diretamente entre si.

«Agora podemos atribuir claramente as diferenças nas propriedades do material à respetiva modificação química e excluir a possibilidade de estas se deverem a condições de fabrico variáveis», explica Dettling. Os materiais fabricados são disponibilizados a empresas e parceiros de investigação para amostragem. Estes parceiros podem testar as propriedades dos materiais, avaliar aplicações ou realizar estudos de viabilidade para o desenvolvimento dos seus produtos, sem terem de estabelecer os seus próprios processos de desenvolvimento ou de aumento de escala.

Ampla gama de aplicações para polímeros de base biológica funcionalizados

«A gelatina modificada é adequada como hidrogel, como material de suporte ou componente estruturante em sistemas biomédicos ou produtos de higiene pessoal, bem como para materiais funcionais e revestimentos que requerem interações específicas, propriedades de barreira ou propriedades adesivas», afirmou Weber. Isto inclui também sistemas de teste in vitro e plataformas de diagnóstico microfluídicas que requerem materiais definidos e reproduzíveis na produção, com propriedades de superfície ou materiais controladas.

Os conceitos de processo utilizados no Fraunhofer IGB não se limitam à gelatina. Pelo contrário, as propriedades de outros polímeros de base biológica — tais como o colagénio, a quitosana, a inulina e o ácido hialurónico — também podem ser especificamente adaptadas devido à sua boa modificabilidade química, seja para encapsulamento com vista a uma libertação controlada, seja para aplicações de revestimento.