Polyteck | Edição 05

Tecidos criados em impressoras 3D apresentam funcionalidades semelhantes às de tecidos nativos e podem revolucionar a indústria farmacêutica pág. 10

Bioimpressão de tecidos

humanos

Distribuição Gratuita nº 05 | abril 2014

Biotecnologia | Empreendedorismo e Inovação Computação | Sustentabilidade e Ambiente www.polyteck.com.br | Revista Polyteck | 1 Engenharia, Energia e Materiais | Nanotecnologia

Pesquisas financiadas pela

indústria geram mais

resultados Por Raisa Jakubiak

O Brasil não tem tradição em pesquisa científica financiada por capital privado. Muitos alegam que as empresas direcionam as pesquisas apenas para as áreas de seu interesse e que os frutos destes projetos não beneficiam a comunidade.

Contudo, o professor Brian D. Wright, da Universidade da Califórnia, Berkeley, e seus colegas de outras instituições oferecem evidências empíricas de que pesquisas financiadas pela indústria contradizem o senso comum em muitos aspectos.

APESAR DE INVENÇÕES FINANCIADAS PELA INICIATIVA PRIVADA TEREM MAIS CHANCES DE SEREM PATENTEADAS, O APOIO PRIVADO NÃO AS TORNA MAIS “PATENTEÁVEIS”.

E

m discurso à Sociedade Brasileira de Medicina Tropical, o reitor da Universidade de Brasília afirmou que “Temos que continuar publicando nos melhores veículos de circulação internacional, conforme a área de conhecimento, mas temos também de ter financiamento para realizar inovações necessárias ao desenvolvimento do país em áreas estratégicas, como petróleo e gás, ciências do mar, biotecnologia, nanotecnologia, biomassa e energias alternativas, semicondutores e softwares; fármacos e medicamentos, etc. Esse financiamento, em parte, poderia vir, sem dúvida, da iniciativa privada”.

Existem vários motivos para ter cautela ao receber financiamento de empresas privadas em pesquisas acadêmicas. Já foi mostrado que as indústrias tabagista, alimentícia e farmacêutica manipulam o foco de pesquisas e a opinião pública para seu próprio benefício, até mesmo suprimindo pesquisas desfavoráveis. Além disso, as empresas financiadoras podem tentar direcionar os pesquisadores das universidades para as linhas de pesquisa de seu interesse. A situação parece se agravar ainda mais se os resultados das pesquisas forem mantidos em sigilo, pois dessa maneira outros pesquisadores não terão acesso aos dados e a empresa em questão será a única beneficiária da pesquisa desenvolvida. A suposição que prevalece é a de que pesquisas, invenções e inovações financiadas pelo capital privado estão associadas a uma menor utilidade e acessibilidade para a sociedade do que as pesquisas financiadas por agências de fomento governamentais.

No entanto, não é o que os dados coletados pelo professor Brian D. Wright, do departamento de Economia de Agricultura e Recursos da Universidade da Califórnia, Berkeley, mostram.

Os dados foram apresentados como comentário na edição de março da Nature. A análise oferece evidências empíricas de que pesquisas financiadas pela indústria são surpreendentemente úteis para inovações futuras.

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Trabalhando em conjunto A análise não aborda como fundos privados afetam a rotina de pesquisa das universidades, mas certamente coloca um porém na ideia de que empresas trabalhariam com exclusividade e não divulgariam os resultados das invenções financiadas com o seu capital. Ao invés disso, um alto índice de citações sugere que as empresas estão financiando pesquisa básica dentro das universidades. Um trabalho desenvolvido pelo sociólogo James Evans, na Universidade de Chicago em Illinois, sugere que as corporações voltam os olhares para universidades quando têm interesse em investigar assuntos fora de suas áreas de concentração, investindo em ciência especulativa, na esperança de encontrar oportunidades lucrativas.

Na verdade, Evans argumenta que as empresas realmente impulsionam os acadêmicos a explorar mais longe do que iriam normalmente, já que estes têm a tendência de agir de maneira mais conservadora para garantir a aceitação de artigos e propostas de grants. Enquanto isso, Evans escreve que “parcerias com a indústria desviam as pesquisas acadêmicas do status de confirmar teorias já estabelecidas em direção à especulação”.

Este “empurrão” acaba resultando em muitas invenções que podem não ter relevância para a própria empresa, mas são informativas para outros pesquisadores e importantes para o trabalho subsequente de outras empresas.

Nestes casos, é mais interessante para os financiadores que outras empresas tenham acesso à informação. Por exemplo, um trabalho preliminar realizado por Yongdong Liu, um candidato a doutorado em Berkeley, sugere que a IBM divulgue inovações fora da sua especialidade sem patenteá-las e, frequentemente, cita patentes de outras empresas nas inovações. O mesmo aconteceu com o Projeto Genoma Humano, fundado por dinheiro público: algumas grandes empresas farmacêuticas contribuíram no projeto, acreditando que acesso mais rápido aos resultados acelerariam sua habilidade de desenvolver medicamentos, mesmo que os resultados estivessem disponíveis abertamente.

Adquirir propriedade intelectual não é necessariamente o foco principal dos financiadores privados. As empresas também valorizam relações continuadas com cientistas e as oportunidades relacionadas para identificar e recrutar empregados talentosos.

O financiamento conjunto entre governo e empresas pode contribuir para objetivos mais focados. Eles geralmente surgem de projetos iniciados por agências de financiamento do governo federal, e então recursos privados são injetados para acelerar e transformar projetos com grande potencial em aplicações práticas.

A equipe afirma que é necessário analisar os dados de outras universidades para garantir que estes resultados possam ser generalizados. Contudo eles afirmam que “Universidades que fecham contratos com corporações precisam ser vigilantes na sua missão de gerar e transferir conhecimento, mas não devem assumir que empresas estão focadas principalmente em bloquear propriedades intelectuais”.

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Dados coletados dos últimos 20 anos em nove campi e três laboratórios nacionais administrados pela Universidade da Califórnia mostram que projetos financiados pela indústria são licenciados e citados com mais frequência do que os financiados apenas por capital federal.

Transferência de Tecnologia

Como na maioria das universidades, na Universidade da Califórnia todas as pesquisas que tem potencial comercial devem passar pelo departamento de Transferência Tecnológica (OTTs, em inglês). Sob estas condições, qualquer resultado que o pesquisador acredite que possa ser patenteado ou que seja de alguma forma valioso como propriedade intelectual deve passar pela OTT antes da divulgação de qualquer resultado da pesquisa. Isso inclui a apresentação de trabalhos em congressos e publicação de artigos, pois tornar o objeto da invenção público antes de dar entrada no pedido de patente quebra o critério de novidade para a concessão da mesma.

O OTT é responsável por obter proteção em nome da universidade, gerenciar as patentes da universidade e negociar contratos com potenciais licenciados.

No Brasil a maior parte das universidades federais já possui órgãos semelhantes aos OTTs, são os Núcleos de Inovação Tecnológica (NITs). A Lei de Inovação (Lei 10.973/2004) determina que os centros de pesquisa criem e implementem um NIT para apoio aos pesquisadores e gestão dos ativos de propriedade intelectual da instituição. Porém em muitas instituições os NITs ainda necessitam de melhorias estruturais e de reconhecimento interno para execução de suas atividades.

De 1990 a 2005, membros do corpo docente, alunos e servidores da Universidade da Califórnia, assim como funcionários dos três laboratórios nacionais associados à universidade, enviaram 12.516 invenções para seus OTTs. Destes, cerca de 1.500 foram apoiados, pelo menos em parte, por financiamento de empresas. Sob termos rígidos de confidencialidade, o OTT forneceu à equipe de Wright dados provenientes dos envios e das atividades de licenciamento ocorridas até o final de 2010. De 1990 até

A TRANSFERÊNCIA DE TECNOLOGIA DE INOVAÇÕES CRIADAS NO AMBIENTE ACADÊMICO TRATA-SE DE UM PROCESSO QUE INCLUI O PATENTEAMENTO, O LICENCIAMENTO E REVELAÇÃO DA INVENÇÃO, E FINALMENTE O USO COMERCIAL DA TECNOLOGIA COM A GERAÇÃO DE ROYALTIES PARA A INSTITUIÇÃO. TALVEZ O EXEMPLO MAIS FAMOSO SEJA O DO TOMATINHO CEREJA, QUE FOI DESENVOLVIDO E PATENTEADO PELA UNIVERSIDADE HEBRAICA DE JERUSALÉM E HOJE É LICENCIADO PARA UMA COMPANHIA QUE VENDE SEMENTES, RENDENDO UMA BELA SOMA EM ROYALTIES À UNIVERSIDADE.

2012, os campi da Universidade da Califórnia somaram 9% do investimento total em pesquisa dos EUA. Coletivamente, eles obtiveram mais patentes emitidas do que qualquer outra instituição acadêmica americana.

Em listas compiladas anualmente pela Agência de Marcas e Patentes dos EUA, os campi da Universidade da Califórnia frequentemente tiveram mais do que o dobro de patentes do que o segundo maior produtor de patentes provenientes da academia (normalmente o Massachusetts Institute of Technology – MIT- em Cambridge).

De todas as invenções geradas na Universidade da Califórnia, 20% delas estão relacionadas a pelo menos uma licença, e quase 25% foram efetivamente patenteadas. Invenções sem informações sobre a fonte de financiamento são as menos prováveis de render licenças (13%) ou patentes (17%). Já as invenções patrocinadas por corporações resultaram em licenças (29%) ou patentes (35%) com mais frequência que as financiadas pelo governo federal (22% e 26%, respectivamente). Estas taxas são ainda maiores para invenções com ambos os tipos de financiamento: 36% delas foram licenciadas e 43% patenteadas. Assim como em outras universidades lideres em pesquisa, a maioria dos avanços tecnológicos está relacionada às áreas de biologia, farmácia e química.

A pesquisa também trouxe à tona dados interessantes que foram contra as suposições iniciais da equipe.

Acreditava-se que as licenças de invenções financiadas pela indústria seriam exclusivas, e que esses financiadores iriam abocanhar uma grande parte das licenças exclusivas. No entanto, descobriu-se que a porcentagem geral de invenções com licença exclusiva financiadas pela indústria (74%) não é maior do que a das financiadas unicamente com dinheiro público (76%).

Outra surpresa é que invenções financiadas pela indústria estimulam mais disseminação do conhecimento do que aquelas financiadas apenas pelos fundos do governo. Isso foi analisado através das taxas de citação, o método mais utilizado para medir a qualidade e o valor de uma patente. Cada inovação patrocinada por capital privado gerou, em média, 12,8 citações se licenciadas para terceiros (mais ainda se licenciadas pelo próprio agente financiador) um grande contraste com as 5,6 citações de patentes patrocinadas exclusivamente pelo governo. Resultados que vão contra o senso comum de que pesquisas financiadas por capital privado geram muitos benefícios individuais e poucos coletivos. ■ Fontes: »» Brian D. Wright, Kyriakos Drivas, Zhen Lei e Stephen A. Merrill, Nature 507, 297–299 (2014); »»Agência de Inovação da USP; »» Falta de investimento compromete o desenvolvimento de pesquisas e do Brasil, SBMT, 15/04/2012; »» Entrevista com Renée Ben-Israel, Agência de Inovação da Unicamp,

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15/05/2006;

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Por André Sionek

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xperimentos já comprovaram que o ser humano pode discriminar milhões de cores e quase meio milhão de diferentes tonalidades sonoras, mas ninguém havia realizado um estudo que validasse empiricamente o número de odores que um humano consegue discriminar. A grande dificuldade de realizar esse tipo de estudo para o sistema olfativo é o fato de que, para determinar quantos estímulos podem ser discriminados, é preciso saber o alcance e resolução do sistema sensorial. A resolução é definida como a diferença necessária entre dois estímulos para que haja diferenciação. Já o alcance compreende o intervalo no qual os estímulos podem ser percebidos. Nos sistemas visual e auditivo, tanto as cores quanto os estímulos sonoros são distinguíveis por variações no comprimento de onda e intensidade. É relativamente simples determinar a resolução e o alcance sensorial dos sistemas auditivos e visual e, em seguida, calcular o número de sons e cores discrimináveis. Os seres humanos podem detectar a luz com comprimentos de onda entre 390 e 700 nm, e sons na faixa de frequência entre 20 e 20.000 Hz. Trabalhando dentro desta faixa, os pesquisadores realizam experimentos psicofísicos com tarefas de discriminação de cores ou sons a fim de estimar a resolução média dos sistemas visual e auditivo. Assim é possível estimar que os seres humanos podem distinguir entre 2,3 milhões e 7,5 milhões de cores e aproximadamente 340 mil tonalidades sonoras.

No caso dos odores, as estratégias utilizadas para outras modalidades sensoriais não podem ser aplicadas, pois não conhecemos a resolução e o alcance do nosso sistema olfativo.

Além disso, sentimos cheiros através da percepção de misturas

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Até então, acreditava-se que os seres humanos poderiam diferenciar aproximadamente 10 mil diferentes odores, mas um novo estudo publicado na revista Science mostrou que o número de estímulos olfativos distinguíveis pelo nariz humano é muito maior do que as estimativas anteriores. Os pesquisadores dos laboratórios de Neurogenética e Comportamento e de Física Matemática da Universidade Rockefeller, USA, demonstraram que o nosso sistema olfativo, com suas centenas de diferentes receptores, ultrapassa de longe os nossos outros sentidos no número estímulos que pode discernir.

de moléculas que se diferenciam em seus componentes. Os estímulos olfativos naturais são quase sempre misturas de um grande número de diferentes moléculas em diferentes proporções. O cheiro característico de uma rosa, por exemplo, é produzido por uma mistura de 275 componentes, embora apenas uma pequena percentagem destes contribua efetivamente para a sua percepção.

Os pesquisadores da Universidade Rockefeller reduziram a complexidade do experimento investigando apenas às misturas de 10, 20 ou 30 componentes, que foram retirados de um conjunto de 128 moléculas odoríferas que cobrem grande parte da diversidade de percepção e da físico-química de moléculas odoríferas. Eles combinaram os componentes em proporções em que cada componente contribuía igualmente para o odor global da mistura, realizando um total de 264 testes de discriminação.

A diferença mais evidente entre duas misturas com o mesmo número de componentes é a porcentagem de componentes nas quais elas diferem. Portanto, para determinar a resolução do sistema olfativo, basta determinar, através de testes psicofísicos, em qual porcentagem duas misturas devem diferir, em média, para que possam ser discriminadas pelo nariz humano.

No total, 26 indivíduos com idades, sexo e etnias variadas concluíram os testes psicofísicos. Em experiências de duplo-cego, eles foram apresentados a três frascos de odor, dos quais dois continham a mesma mistura. O terceiro continha uma mistura diferente. Os indivíduos foram então instruídos a identificar o frasco com odor diferente. Cada um realizou os mesmos 264 testes em ordem aleatória. Além disso, quatro testes de controle que compreendiam moléculas de odor individuais foram

intercalados em todos os experimentos psicofísicos para medir a acuidade olfativa geral e conformidade do estudo.

No sistema olfativo, a resolução pode ser definida como a porcentagem mais elevada de componentes em sobreposição entre duas misturas que permite que ambas sejam distinguidas. Assim como no sistema auditivo e visual, a resolução do sistema olfativo não é uniforme em todo o espaço de estímulo.

Na audição, por exemplo, a resolução de frequência é muito melhor em baixas do que em altas frequências. Já na visão, a discriminação de comprimentos de onda é muito melhor perto de 560 nm, onde a diferenças de 0,2 nm podem ser distinguidos.

Devido ao grande número de combinações possíveis entre as diferentes moléculas utilizadas no estudo (128 moléculas agrupadas em grupos de 30 moléculas, um total de aproximadamente 1028 diferentes combinações), foi preciso calcular o limite inferior da quantidade de misturas discerníveis ​através da formulação matemática de um problema de empacotamento de esferas no espaço multidimensional. A solução mostrou que misturas que se sobrepõem por menos de 51,17 % podem ser discriminadas pela maioria dos indivíduos. Isso significa que os seres humanos podem, em média, diferenciar mais de 1 trilhão de misturas de 30 componentes.

Como os pesquisadores focaram somente na diferença entre a qualidade dos odores e descartou a discriminação baseada em intensidade, estima-se que 1012 diferentes percepções olfativas ainda seja um número conservador, embora várias ordens de grandeza maior do que as estimativas anteriores.

IDENTIFIQUE - Revista Politeck revisado.pdf

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Eles acreditam que o número real de estímulos olfativos distinguíveis é, provavelmente, muito maior. Isto porque os componentes também podem ser combinados em misturas de mais de 30 componentes, e até mesmo as misturas com os mesmos componentes podem ser distinguidos se os componentes são misturados em diferentes proporções. Além disso, não se sabe quantas moléculas odoríferas existem ou quantas delas podem ser discriminadas das outras. Os resultados estabelecem, portanto, apenas um limite inferior do número de estímulos olfativos discrimináveis e demonstra a magnitude da nossa surpreendente capacidade olfativa.

Fontes: »» C. Bushdid, M. O. Magnasco, L. B. Vosshall, A. Keller, Science 343, 6177, 1370-1372 (2014) »» E. C. Crocker, L. F. Henderson, Am. Perfum. Essent. Oil Rev. 22, 325 (1927)

Diagrama adaptado de: C. Bushdid et al., Science

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Radiation inhibits forests from

decomposing properly Por Raisa Jakubiak

Chernobyl was the worst nuclear disaster in history. After almost 30 years of the disaster, an exclusion zone of 30 km radius still remains. Within this area, radiation levels are extremely high, making it unsafe for people... and microbes.

ACESSE O ARTIGO EM PORTUGUÊS UTILIZANDO O QR CODE A Polyteck publica um artigo em inglês todas as edições para incentivar a internacionalização das universidades brasileiras.

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April 26th 1986 It is late April 25th in Chernobyl, Ukraine, a small city located in the Prypiat River. At the time, the location was part of the former U.S.S.R. The nuclear reactor IV of the of V.I. Lenin Nuclear Power Plant, located about twenty-five km upstream of the city, was ready to be shutted down for routine maintenance. Prior to shut down, the crew would perform tests on how long the turbines would continue to spin after a loss in the primary electrical power supply, despite these reactors being known to be very unstable at low power settings.

Before the test, which was performed on early April 26th, the automatic shutdown systems were disabled. As the flow of coolant water declined, power output increased.

Things went wrong and, when the operator tried to shut down the reactor from its unstable state, a peculiarity in the design caused a dramatic power rise. The temperature suddenly increased, leading part of the fuel core to rupture. Fuel particles reached the coolant water and reacted with it, resulting in a steam explosion that destroyed the reactor core. A second explosion brought even more dangerous consequences: fragments of burning fuel and graphite were expelled from the core, inducing the graphite moderator (which is used to absorb the neutrons in the core) to ignite. Graphite burned for nine days, releasing 12 to 14 x 1018 becquerels in the atmosphere – 400 times the Hiroshima bomb.

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ow, near the Chernobyl 28th anniversary, a study published in the journal Oceologia, reports issues concerning the effect of radiation on the decomposition of plant material. The team, headed by Timothy Mousseau, a biologist at the University of South Carolina, Columbia, conducts research in the exclusion zone since 1991.

They had already expected that decomposition rate would be reduced, due to an absence or reduced densities of soil invertebrates. However, they have noticed that the trees in the Red Forest were not decomposing even after 15 or 20 years of the explosion. This led them to suspect that microorganisms responsible for decomposition were also being affected. “It was striking, given that in the forests where I live, a fallen tree is mostly sawdust after a decade of lying on the ground.” – said Mousseau to Smithsonian.com.

Besides, when they measured the leaf litter in different parts of the exclusion zone, they discovered that the litter layer itself was two to three times thicker in the “hottest” areas of Chernobyl, where radiation levels are more intense.

For further study, in September 2007 they deposited 572 bags, which contained dry leafs collected from uncontaminated sites from four species (oak, maple, birch or pine) in forest areas around Chernobyl, with different levels of background radiation. Around 140 of these bags were made of fine mesh, which prevented soil invertebrates to enter them and provided ground for comparison between decomposition by microorganisms and soil invertebrates.

After almost a year, the researchers collected the bags and measured the mass loss in the litter. The results were striking: litter mass loss was 40% lower in the most contaminated sites relative to the normal background radiation level for Ukraine. In normal sites, the mass loss reaches 70 to 90%. Comparing the thickness of the forest floor, the team discovered that it increased with the levels of radioactive contamination.

“These results suggest that the radiation inhibited microbial decomposition of the leaf litter on the top layer of the soil”, affirmed Mousseau. It then implies that nutrients are not being properly returned to the soil, affecting growth conditions for plants. In addition, the leaf accumulation could be a potential fuel source for a forest fire. This is a disastrous scenario, since the fire can redistribute radiation outside the exclusion zone. The team is also collaborating with research in Japan, in order to discover if Japan is also suffering from similar issues after the Fukushima disaster in March 2011. ■ Sources: »»Timothy A. Mousseau, Gennadi Milinevsky, Jane Kenney-Hunt, Anders Pape Møller, Oecologia, 0029-8549, p 1-9 (2014) »» Rachel Nuwer, Smithsoniammag.com, 03/14/2014 »»The Energy Library

Stars mark sites where the researchers put the leaf bags, with colors corresponding to levels of radiation.

Photo: Mousseau et al., Oecologia

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Bioimpressão de tecidos

humanos Por Raisa Jakubiak e André Sionek

A impressão 3D foi listada como um dos assuntos mais quentes de 2013 pelo MIT Technology Review. Porém, um grupo de pesquisadores já conhecia seu potencial bem antes disso e, em 2007, quando impressão 3D começou a aparecer nas manchetes, foi fundada uma empresa revolucionária que atua na fronteira de um campo emergente da ciência: a bioengenharia.

A proposta era utilizar os conhecimentos adquiridos no laboratório em conjunto com técnicas de impressão 3D para desenvolver tecidos humanos in vitro. Criar culturas multicelulares que imitam tecidos humanos, tanto em composição quanto arquitetura,

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abre caminho para testes mais específicos e confiáveis de novas drogas e sigifica uma enorme redução de custos para a indústria farmacêutica.

Tirar as pesquisas do papel envolveu muito esforço e competência. Porém, hoje a Organovo já recebe o reconhecimento pela sua atuação. Em 2012 fez parte da lista das empresas mais inovadoras do mundo compilada pelo MIT Techonology Review. Agora os cientistas já cogitam até a impressão de órgãos humanos anatomicamente corretos e completamente funcionais dentro dos laboratórios da empresa.

Nascida em 2007, a Organovo é um empreendimento nascido da colaboração de cientistas de diversas áreas e que utiliza impressoras 3D para imprimir tecidos biológicos funcionais. A empresa de biotecnologia visa criar uma plataforma de bioimpressão 3D altamente reprodutível que possibilite o estudo de órgãos vivos in vitro. Os tecidos impressos auxiliam as pesquisas de aplicabilidade e toxicidade de novas drogas e, com isso, podem ajudar a reduzir os custos de desenvolvimento de medicamentos.

IMAGEM DE SECÇÃO TRANSVERSAL DE TECIDO HEPÁTICO HUMANO BIOIMPRESSO MOSTRANDO HEPATÓCITOS (NÚCLEOS AZUIS), CÉLULAS ESTRELADAS HEPÁTICAS (VERDE) E CÉLULAS ENDOTELIAIS (VERMELHO) EM UMA ESTRUTURA ORGANIZADA COM DENSIDADE CELULAR E JUNÇÕES SEMELHANTES ÀQUELAS ENCONTRADAS EM TECIDO NATIVO.

A

Organovo nasceu no laboratório do Professor Gabor Forgacs, da Universidade de Missouri, Columbia. O biofísico, com experiência em biologia de desenvolvimento, e seus parceiros acadêmicos demonstraram que as células de mamíferos podem se unir e formar agregados multicelulares de forma e tamanho controlado, e que as interações desses agregados eram governados por muitos dos mesmos princípios físicos envolvidos nas interações entre gotas de líquido. Esse entendimento foi alavancado para construir o primeiro protótipo de uma bioimpressora. O equipamento permitiu a colocação precisa de agregados celulares, agora chamados de biotinta, para formar aneís simples e estruturas tubulares que interagiam umas com as outras para produzir tecidos intactos.

As descobertas do Dr. Forgacs foram protegidas na forma de patentes

e são licenciadas exclusivamente para a Organovo, empresa que ajudou a fundar. Na empresa, engenheiros e cientistas continuaram a aprimorar a tecnologia de bioimpressão 3D com o auxílio da plataforma Novogen Bioprinter.

A instrumentação automatizada garante reprodutibilidade entre os tecidos bioimpressos através de um rígido controle da sua composição e geometria. Os tecidos podem ser fabricados diretamente sobre câmaras de incubação ou ainda em ambientes personalizados concebidos para manter e condicionar os tecidos 3D, minimizando assim a necessidade de manipulações que podem introduzir variabilidade.

O processo de bioimpressão consiste em identificar elementos de arquitetura e a composição chave de um tecido alvo. O modelo é representado em um computador, num design que pode ser utilizado por uma bioimpressora. Assim que o desenho do tecido é estabelecido, são desenvolvidos os protocolos de bioprocessamento necessários para gerar a construção da biotinta, composta por blocos de construção multicelulares, que será utilizada para a construção do tecido alvo.

Esses blocos de contrução multicelulares são dispensados por uma bioimpressora que utiliza a técnica de impressão por camadas, abordagem muito semelhante à das impressoras 3D tradicionais. O processo de bioimpressão pode ser adaptado para produzir tecidos numa variedade de formatos, desde tecidos produzidos em placas de cultura convencionais de 96 poços até estruturas maiores adequadas para a colocação em biorreatores que fornecerão condicionamento biomecânico

ao tecido antes da utilização.

Algumas modificações simples no hardware da plataforma de impressão da Novogen permitiram o acoplamento de uma seringa, que realiza a disposição contínua de hidrogéis. Eles funcionam como a estrutura da impressão 3D, onde os tecidos são construídos verticalmente para atingir tridimensionalidade, ou como agentes de enchimento para criar canais ou espaços vazios no interior dos tecidos, imitando as características de tecido original. O hidrogel é um tipo de material, formado por cadeias poliméricas reticuladas, que é conhecido pela sua habilidade de absorver água e é amplamente utilizado como ambiente de cultura de células tridimensionais e de tecidos biológicos. Ao utilizar hidrogéis como suporte para as células, aumenta-se o tamanho das estruturas tridimensionais que podem ser impressas com biotintas.

A modificação no hardware da impressora possibilita não só a confecção rápida de grandes porções de tecidos tridimensionais, mas também a geração de estruturas híbridas através de combinações de tinta biológica de alta densidade e hidrogel contendo várias concentrações de células. Isso permite mais complexidade no design da construção e aumenta a resolução espacial de diferentes populações celulares.

Hoje a empresa desenvolve e comercializa tecidos humanos para várias aplicações terapêuticas e de pesquisa. A Organovo já trabalhou com vários tipos de tecidos incluindo os de vasos sanguíneos, músculos cardíacos, ossos, pulmões, fígado e rins.

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Indústria Farmacêutica O processo de pesquisa e desenvolvimento de novos medicamentos necessita de ferramentas que possam fornecer informações precisas sobre como eles atuam sobre os tecidos e órgãos humanos. Isso inclui dados sobre os mecanismos de funcionamento, efeitos colaterais, histológicos e citotoxicidade da droga. Os custos deste processo de análise, que é obrigatório para o registro do medicamento, são extremamente altos. Além disso, todo desenvolvimento corre riscos de retornar à estaca zero mesmo após o investimento de muito dinheiro e anos de pesquisa. Isso porque ao finalmente chegar às últimas etapas de desenvolvimento, um medicamento que parecia promissor nas fases iniciais da pesquisa pode se mostrar ineficiente em humanos ou apresentar benefícios que não compensem os efeitos colaterais causados pelo seu uso. Colocar um novo medicamento no mercado custa, em média, 1,2 bilhões de dólares e leva cerca de 12 anos para ser desenvolvido e então aprovado pelos órgãos reguladores.

1 - O DESENHO DO TECIDO É ENVIADO PARA A BIOIMPRESSORA

4 - O TECIDO BIOIMPRESSO É UM MODELO MAIS FIEL DO QUE CULTURAS TRADICIONAIS 2D

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A imagem acima mostra um tecido de fígado humano bioimpresso em 3 dimensões.

Foto: Organovo, Inc.

Bioimpressão de tecido hepático As células do fígado, em particular, os hepatócitos do parênquima, são amplamente utilizadas em laboratório para avaliar a toxicidade ou a eficácia de drogas. Essas células tem uma capacidade quase ilimitada para replicação, tanto que quando até dois terços de um fígado saudável é removido cirurgicamente, os hepatócitos remanescentes são capazes de restaurar completamente a massa de fígado removida. Porém ao serem removidos do corpo humano, os hepatócitos rapidamente perdem as funções específicas que executavam no fígado.

A maioria das funções do fígado são dependentes, em parte, da arquitetura do tecido hepático. Quando os hepatócitos são cultivados de modo convencional, em monocamadas simples, a sua capacidade em manter a arquitetura sua intracelular é prejudicada e leva ao comprometimento de

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suas funções. Porém, quando os hepatócitos são mantidos em ambientes de cultura que suportam polarização e tridimensionalidade, eles retêm suas funções críticas por um período mais longo.

A plataforma da de bioimpressão da Organovo já foi utilizada para gerar protótipos de tecido do fígado.

Ele foi bioimpresso utilizando células de parênquima (hepatócitos) e de estroma (células endoteliais e células estreladas hepáticas) espacialmente controladas em geometrias que reproduzem as características de composição e estrutural do tecido nativo. A plataforma automatizada de bioimpressão permite a fabricação e teste comparativo de várias composições e geometrias, de modo que a combinação vencedora pode ser identificada de forma sistemática com base nos resultados histológicos e funcionais.

Podem ainda ser observados o desenvolvimento de redes microvasculares no interior do tecido bioimpresso e a formação de junções intercelulares apertadas entre os hepatócitos, condições semelhantes ao

2 - BLOCOS DE CONTRUÇÃO MULTICELULARES (BIOTINTA) SÃO DISPENSADOS

3 - A INCUBAÇÃO CONFERE CONDICIONAMENTO BIOMECÂNICO AO TECIDO IMPRESSO

5 - COMPARAÇÃO ENTRE UM TECIDO 3D E UMA CULTURA CELULAR CONVENCIONAL

6 - TECIDOS 3D FORNECEM PISTAS MAIS PRECISAS SOBRE O COMPORTAMENTO DE FÁRMACOS

tecido nativo. Além disso, os tecidos de fígado bioimpressos são capazes de produzir proteínas específicas tais como a albumina e a transferrina e de realizar a biossíntese de colesterol.

O objetivo geral da Organovo é desenvolver tecidos humanos multicelulares vivos que possamm ser mantidos em ambiente de laboratório por longos períodos de tempo e amostrados em série para a observação de alterações funcionais e histológicas em resposta à lesão, patógenos ou tratamentos. A tecnologia desenvolvida tem potencial para reduzir drasticamente os custos de desenvolvimento de novos medicamentos e num futuro próximo, pode até levar à impressão de órgãos inteiros. ■

Vantagens

Fontes: »» Organovo, Inc. www.organovo.com »» Mike Renard, Executive VP, Organovo, Inc. »» Chirag Khatiwala et al., Gene Ther. Reg. 07, 1230004 (2012) »» Jennifer Elisseeff, Nature Materials 7, 271 - 273

Simulação da indução de uma doença em um tecido 3D saudável.

A tecnologia é capaz de criar tecidos tridimensionais anatomicamente corretos com microvascularização integrada.

Esta organização estrutural, que utiliza diferentes tipos de células para construir tecidos, resulta em respostas coerentes com os processos fisiológicos naturais. Os tecidos 3D desenvolvidos pela empresa representam modelos mais fiéis do que os fornecidos por testes em animais e em culturas célulares 2D, devido à melhor reconstrução da biologia humana in vitro.

Por representarem melhor o organismo humano, é mais fácil detectar e prever reações adversas nos tecidos 3D bioimpressos, assim como avaliar a eficácia da nova droga no organismo humano antes mesmo de levá-la para estágios mais avançados de desenvolvimento.

(2008) »» MIT Technology Review

Fotos: Organovo, Inc.

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Cerâmica bioinspirada

Por André Sionek

Cientistas utilizaram gelo para alinhar placas de alumina e criar um material com propriedades surpreendentes.

Materiais cerâmicos têm a maior resistência e dureza entre todas as classes de materiais conhecidas, devido à presença de ligações atômicas fortes e direcionais. Estas ligações também proporcionam elevada estabilidade térmica. Além disso, materiais cerâmicos são mais leves do que boa parte dos metais, justamente por serem compostos, em sua maioria, por átomos leves. Esta combinação de propriedades faz com que estejam entre as melhores opções para aplicações que envolvem alto estresse e altas temperaturas. Porém, as mesmas ligações iono-covalentes, que conferem alta resistência para os cerâmicos, acabam evitando qualquer comportamento dúctil do material. Esta falta de plasticidade frequentemente resulta em falhas imprevisíveis, sendo a principal limitação para a utilização de materiais cerâmicos de maneira mais ampla. Melhorar a tenacidade de cerâmicos geralmente envolve a introdução de uma fase dúctil, metálica ou polimérica, que acaba diminuindo a resistência e a dureza do material, bem como a sua estabilidade em altas temperaturas. Pesquisadores franceses criaram um material que “quebra essas regras” e combina alta tenacidade, resistência e dureza.

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esistência, dureza e tenacidade são geralmente propriedades mutuamente excludentes em materiais de engenharia. É possível encontrar na natureza alguns materiais que apresentam alta resistência e tenacidade, porém essas propriedades dependem de uma combinação de mecanismos que atuam em diferentes escalas e que são extremamente difíceis de replicar. O exemplo mais famoso é provavelmente o nacre, aquela camada que reveste a parte exterior das pérolas e que também envolve algumas conchas. Ele é constituído por uma estrutura tipo tijolo-argamassa, onde 95% do volume é composto por plaquetas de aragonite policristalino (CaCO3) e os outros 5% por uma proteína que é extremamente eficaz em restringir a propagação de fraturas. A resistência do nacre advém de inúmeros mecanismos, que incluem a deformação viscoelástica da camada de proteínas, a ruptura de pontes minerais e o cisalhamento inelástico durante o deslizamento das plaquetas de aragonite.

Materiais cerâmicos de engenharia com maior tenacidade podem ser obtidos ao implementar

O MATERIAL PRODUZIDO IMITA O NACRE, REVESTIMENTO EXTERNO DE PÉROLAS E ALGUMAS CONCHAS

CRISTAIS, ORDENAÇÃO EM LARGA ESCALA

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ALINH D

microestruturas e interfaces semelhantes às presentes nos sistemas naturais.

Isto é feito a partir da construção de estruturas organizadas do tipo tijolo-argamassa, usando partículas anisotrópicas coladas por uma fase dúctil. A grande dificuldade reside no fato de que, mesmo que o alinhamento destas partículas anisotrópicas possa ser conseguido por métodos de deposição sequencial de filmes finos, isto não funciona com materiais a granel - requisito básico para aplicações em larga escala.

Num artigo publicado recentemente na Nature Materials, pesquisadores franceses utilizaram o nacre como modelo para o desenvolvimento de uma cerâmica bioinspirada, que combina as propriedades de alta resistência, dureza, tenacidade e estabilidade a alta temperatura. Por utilizar técnicas de processamento largamente difundidas, os pesquisadores acreditam que esse novo material poderá ser utilizado em situações que envolvam alto estresse e temperaturas, com destaque para a utilização em estruturas e transporte, além de aplicações em energia.

Imitando a natureza

Inspirados pelo estudo das estruturas do nacre, os pesquisadores fabricaram materiais cerâmicos densos com características estruturais que abrangem várias escalas de tamanho. O material possui plaquetas de alumina (Al2O3) compactadas e apresenta uma segunda fase com menor rigidez, que é responsável por garantir a redistribuição da carga

HAMENTO LOCAL DOS CRISTAIS

aplicada e a deflexão de fraturas.

Para produzir o material, os pesquisadores prepararam uma suspensão aquosa com as plaquetas de alumina que constituem os blocos de construção elementares da estrutura. Em seguida, incorporaram nanopartículas de alumina que, posteriormente, vão servir como pontes inorgânicas entre as plaquetas e também como nanoasperezas na sua superfície, algo semelhante ao observado no nacre. Finalmente, nanopartículas ainda menores de sílica e óxido de cálcio são adicionadas para constituir a fase que preenche as lacunas remanescentes entre as plaquetas, fazendo o papel da proteína encontrada no nacre. O processo desenvolvido utiliza cristais de gelo para orientar a organização das plaquetas. Essa auto-organização só ocorre porque, quando uma suspensão é congelada direcionalmente, o crescimento dos cristais de gelo repele e concentra as partículas presentes na suspensão.

Para criar o material cerâmico, a suspensão congelada é finalmente sinterizada. O processo de sinterização consiste em compactar uma amostra e submetê-la a temperaturas ligeiramente menores que a sua temperatura de fusão. A sinterização é muito similar à prensagem a quente, com a exceção de que um campo elétrico é utilizado para aquecer rapidamente o molde de grafite. As altas temperaturas e pressões,juntamente com fenômenos de transporte são responsáveis por criar a alterações na estrutura microscópica do material sintetizado.

PLACAS DE ALUMINA ALINHADAS

NANOPARTÍCULAS DE ALUMINA

Representação esquemática da densificação das placas e partículas durante o processo de sinterização.

Foto: Florian Bouville et al., Nature Materials

A auto-organização de todas as características estruturais ocorre durante a etapa de congelamento. O crescimento de cristais de gelo ordenados induz o alinhamento local das placas de alumina. Nanopartículas de alumina e precursores da fase vítrea ficam presos entre as placas.

Foto: Florian Bouville et al., Nature Materials

PRECURSORES DA FASE VÍTREA

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A elevada área de superfície das nanopartículas de alumina permite a sinterização a temperaturas mais baixas do que as plaquetas. Isso faz com que as nanopartículas atuem com pontes iônicas entre as plaquetas, que não são suscetíveis a densificar por sinterização, principalmente devido ao seu grande diâmetro e espessura. Ao final do processo, obtém-se um material cerâmico de engenharia com estrutura semelhante ao nacre, e com propriedades mecânicas muito superiores às cerâmicas comuns.

Todo o processo consiste de três etapas: a preparação de uma suspensão coloidal aquosa, contendo todos os blocos de construção necessários e demais aditivos de processamento, congelamento desta suspensão e, finalmente, sinterização assistida por pressão a 1.500 °C. Eles chamaram o material produzido de “alumina semelhante ao nacre”.

Propriedades mecânicas

Os testes realizados pelos pesquisadores mostram que o comportamento mecânico da alumina semelhante ao nacre é inesperado para um material exclusivamente composto de

constituintes cerâmicos. Eles observaram, por exemplo, que falhas progressivas ocorrem pela propagação estável de fraturas, um comportamento pouco usual para materiais puramente cerâmicos. A resistência à iniciação de fratura também é significativamente mais elevada na estrutura semelhante ao nacre do que em alumina policristalina usual. Além disso, as propriedades do material são mantidas mesmo a temperaturas relativamente elevadas (600 °C).

A alumina semelhante ao nacre apresenta uma resistência à flexão de 470 MPa à temperatura ambiente e 420 MPa, a 600 °C, um valor essencialmente semelhante ao da alumina de referência.

Resistência e tenacidade são geralmente consideradas mutuamente exclusivas. A introdução de um polímero ou uma fase metálica é usualmente utilizada para alterar as propriedades mecânicas de cerâmicas, mas é sempre feita às custas de resistência, dureza ou faixa de temperatura de utilização. O valor da tenacidade da alumina semelhante ao nacre é maior do que a de valores reportados para alumina, a alumina texturizada ou até mesmo para compósitos de alumina,

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incluindo formulações com reforços por nanotubos de carbono ou grafeno.

Quando se trata da escolha de materiais para aplicações estruturais, a densidade é uma consideração importante. Vidros metálicos são uns dos materiais de engenharia mais resistentes já produzidos, mas sua alta densidade limita sua aplicação. A combinação única de força e resistência específicas do material de cerâmica produzido corresponde ao de ligas alumínio e magnésio: ao mesmo tempo em que exibe alta dureza, apresenta tenacidade e temperaturas operacionais elevadas. ■ Fonte: »» Florian Bouville et al., Nature Materials, 14764660 (2014)

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As imagens (a–c) de Microscopia Eletrônica de Varredura correspondem ao nacre e as imagens (d–f) são da alumina semelhante ao nacre produzida pelos pesquisadores. a,d - Organização em pequena e grande escala das placas b,e - Empilhamento local das placas. Uma fase vítrea está presente mesmo quando as placas estão próximas umas das outras, mimetizando a camada de proteína na estrutura do nacre. c,f - A interface entre as placas revela a presença de pontes inorgânicas e nanoasperezas juntamente com a fase vítrea (f), ou orgânica (c) Escala: 10 μm (a,d); 500 nm (b,e); 250 nm (c,f).

Foto: Florian Bouville et al., Nature Materials

Aplicações industriais Os cientistas afirmam que, apesar das amostras terem sido congeladas somente em escala laboratorial até agora, não existem razões fundamentais pelas quais o processo não poderia ser aplicado em larga escala, já que processos de baixa temperatura são comuns na indústria. Processos de sinterização são amplamente utilizados e difundidos, sendo que peças de até 80 cm de diâmetro são rotineiramente sintetizadas para várias aplicações.

Eles estimam que a técnica desenvolvida deve cumprir os requisitos para a maioria das aplicações estruturais de cerâmicas, tais como processamento de metal fundido e moldes, assim como na utilização em motores de alto desempenho.

O design bioinspirado adotado pelos pesquisadores é um exemplo específico, porém relevante, de um material resistente, tenaz e duro: ideal para aplicações onde falhas catastróficas não podem ser toleradas. Além de material para fabricação de materiais estruturais, os pesquisadores esperam ver outros benefícios do uso de cristais de gelo como uma força motriz para a auto-organização de blocos de construção elementares.

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Microturbina gera eletricidade com

Chuva Por Raisa Jakubiak

Na hora da utilização, uma bomba ajuda alimentar as torneiras da casa, mas antes disso o líquido gira a turbina que carrega uma bateria de 12 volts. O gerador é cilíndrico e tem medidas de aproximadamente 5 x 25 cm. Para escolher canos adequados, a equipe usou um cálculo aritmético que determina o diâmetro do cano em relação à área do telhado. A energia elétrica gerada é acumulada em baterias recarregáveis de 12 volts, utilizadas em lâmpadas de LED. Após passar pela turbina, a água é direcionada para um filtro de carvão ativado que remove odores, gostos e outras propriedades indesejáveis e então é finalmente servida. “Com este último filtro, a água é igual ou ainda mais limpa do que a água do sistema de abastecimento da Cidade do México.”, comenta Coca Leyva, um dos estudantes responsáveis pelo projeto. Assim, residentes de regiões pobres e com abastecimento ineficiente podem desfrutar de água pura. É importante notar que a bomba ainda utiliza mais energia do que a turbina pode produzir. Contudo, a ideia principal é ensando numa solução que pudesse melhorar a utiliza- reaver um pouco da energia utilizada para levar água e energia ção de recursos hídricos e energéticos, três estudantes a lugares onde esses recursos são escassos. da Universidade Tecnológica do México (UNITEC) A energia gerada pela microturbina pode facilmente ser desenvolveram um sistema simples capaz de purificar água e utilizada em iluminação ou pequenos eletrodomésticos, como gerar um pouco de energia elétrica. O projeto foi aplicado em refrigeradores e ventiladores de mesa que usem no máximo 12 uma comunidade pobre em Iztapalapa, na Cidade do México. volts. Os estudantes de arquitetura da UNITEC estão procuApesar de ter como foco principal a purificação da água, rando maneiras de melhorar o sistema de armazenamento e o o Pluvia, como é chamado o dispositivo, é uma versão em gerador para difundir o seu uso em comunidades carentes. ■ miniatura de uma usina hidrelétrica: a água da chuva que é coletada dos telhados das casas por calhas ou por lâminas Fonte: inclinadas passa por um filtro primário e é então armazenada »» Dave Levitan, IEEE Spectrum, 26/03/2014 »» Rain used to illuminate low income homes, Investigación y Desarrollo (2014) em um reservatório.

O Dia Mundial da Água, promovido pela ONU, aconteceu em 22 de março. O tema deste ano foi “Geração e Transmissão de Água e Energia”. Um problema frequente em países subdesenvolvidos é o fato de que regiões que não têm acesso à energia elétrica, geralmente sofrem, também, com a falta de água potável. Não distante da nossa realidade, o Brasil tem sofrido uma crise no setor de águas e energia nos últimos meses devido a uma prolongada estiagem. Os reservatórios de usinas hidrelétricas e as represas destinadas a captação e tratamento de água já atingiram recordes negativos.

Até agora as poucas chuvas não ajudaram os reservatórios a recuperarem seus níveis e as soluções propostas até agora são, em sua maioria, paliativas.

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Edição 05 | abril de 2014

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