Pacientes com problemas de menisco, cartilagem do corpo humano localizada no joelho, foram alvos de atenção de uma pesquisa de doutorado realizada na Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM). O seu autor, o químico Célio Hitoshi Wataya, acaba de desenvolver um menisco artificial a partir de uma adaptação na técnica de prototipagem rápida, a qual permite fabricar objetos físicos diretamente de fontes de dados gerados por sistemas auxiliados por computador (CAD). O diferencial do trabalho está na obtenção de um dispositivo de hidrogel, polímero reticulado capaz de absorver líquidos sem se dissolver –, a partir de imagens do joelho em tomografia computadorizada, que podem servir de base à construção de uma modelagem exata do menisco.

O resultado foi um produto personalizado e artesanal já testado quanto à citotoxicidade em modelo animal, visando aplicações na área médica. Ele não exibiu rejeição local e, nos testes mecânicos, apresentou comportamento – quanto à tração e à compressão – similar ao suportado por um menisco submetido à carga. Mostrou ser promissor para essa aplicação, segundo Célio.

O material usado na prótese, o polivinil álcool (PVA), é o polímero sintético solúvel em água mais usado do mundo, estando presente em itens como cosméticos, produtos farmacêuticos e roupas de queimados. É encontrado comercialmente na forma de pó ou de grânulos e tem sido bastante estudado no momento, embora o seu conhecimento já remonte à década de 1920, por suas propriedades medicinais.

Importância

De acordo com Célio, dois detalhes foram fundamentais para chegar ao produto final. O primeiro foi o tratamento computacional dado à imagem da tomografia do joelho com o Invesalius e o Rhinoceros, dois softwares livres.

O segundo foi o uso do dimetilssulfóxido (DMSO), um agente de reticulação empregado num arsenal de medicamentos, sob as formas de gel e de solução, indicados como anti-inflamatório e analgésico de uso tópico nos traumatismos, hematomas e edemas.

Célio conta que pensou em produzir um menisco artificial pelo grande impacto social que teria para a vida dos pacientes, já que, após lesionado, o menisco ‘original’ não se regenera. A área de contato do joelho fica reduzida algo em torno de 50%, submetendo a cartilagem articular a um maior risco de lesões.

Conforme o autor da tese, a regeneração é complicada porque o menisco é pobre em vasos sanguíneos e, consequentemente, com irrigação mínima.

Quando a regeneração ocorre, o resultado é um tecido com baixa propriedade mecânica que, ao ser submetido a esforços, pode se romper com facilidade, o que comprometeria o seu funcionamento, uma vez que o menisco atua como um amortecedor, impedindo o atrito entre órgãos próximos, como a tíbia e o fêmur. A sua principal função, inclusive, é absorver cerca de 50% da carga compressiva na articulação do joelho em extensão e 85% da carga em flexão.

No caso da existência de lesões, o procedimento de escolha em geral é a extirpação do menisco, a meniscectomia, sobretudo com vistas a eliminar a dor, que é relatada como intensa pelos pacientes. Isso porque a lesão continua se propagando e chega a um ponto que a cirurgia torna-se inevitável.

As maiores vítimas de rompimento do menisco são os desportistas, as vítimas de acidentes automobilísticos e os idosos que sofreram quedas.

Testes

Um estudo de Kobayashi, feito no Japão, já tinha usado o PVA agregado ao DMSO no joelho de coelhos, relata Célio. A parte da fixação da prótese foi testada pelo autor com fios de nylon e, as perfurações na tíbia, feitas com brocas. 

Houve ainda avaliação da reação dos animais, notando-se, após o período de dois anos, que o órgão não tinha provocado irritação local. Estava praticamente intacto. A resposta foi favorável, conta o químico, sinalizando a sua viabilidade de uso.

Com base nessa mesma investigação, Célio estudou como introduzir o menisco em seres humanos. Ao conversar com especialistas do Centro de Tecnologia da Informação “Renato Archer” (CTI), ele constatou a alternativa de personalizar o PVA a partir de uma sequência de tomografia computadorizada.

O pesquisador avaliou as imagens tridimensionais do joelho, que o ajudaram a reproduzir um molde do menisco para ser envasado com PVA. Esse menisco, moldado de PVA e DMSO, passou por congelamento e irradiação de raios gama, por meio de irradiador multipropósito do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen) da USP, até chegar ao menisco artificial.
Amostra desse material irradiado foi introduzida na calota craniana de animais de laboratório, a fim de verificar a sua biocompatibilidade. Semelhantemente aos resultados de Kobayashi, além de não se observar rejeição do material, não houve hemorragia no local após 12 dias.

Também foi avaliada a reação no organismo dos ratos. “Pela lâmina, percebeu-se que não houve irritação. Pelo contrário, houve a formação protetora de uma cápsula de tecido conjuntivo envolvendo esse material, conforme se esperava”, relata o doutorando.

Os testes de material in vitro foram efetuados no Núcleo de Medicina Experimental da Faculdade de Ciências Médicas (FCM) e in vivo no Instituto de Cirurgia Plástica Craniofacial (Sobrapar). Outros laboratórios envolvidos no trabalho foram os da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM), da Faculdade de Engenharia Química (FEQ) e do CTI.

Processo

Normalmente o PVA reticulado atua como uma esponja hábil em absorver os líquidos, inclusive o sinovial, que é uma mistura de água e de sais minerais, esclarece Célio. Depois que ele intumesce, torna-se mais flexível, sendo capaz de amortecer as pressões feitas pelos membros.

As imagens virtuais do menisco passam por um equipamento de prototipagem rápida, que possui funções semelhantes às de uma impressora. Só que, ao invés dessa impressora ter um tubo de tinta, no seu lugar acomoda outros materiais, que podem ser metais, polímeros e outros.

No caso deste trabalho, a tecnologia foi adotada para a obtenção do molde do menisco, e a prótese foi confeccionada a partir do envase do polímero não reticulado. “Na tomografia foi possível visibilizar várias fatias de imagens, com dimensões que iam de 1 a 4 mm. Quanto mais fina a camada, mais preciso foi o produto final”, expõe Célio.

Em cada processo, revela ele, se faz um único menisco, que demora por volta de duas a três horas para ser finalizado. De acordo com o pesquisador, ainda não existem equipamentos próprios para esse polímero. Ele tentou empregar raios ultravioletas e infravermelhos, porém sem lograr êxito.

A saída foi partir para a moldagem e o envasamento, com posterior reticulação, ou seja, formação de ligações químicas que impedem a dissolução do polímero em presença do líquido sinovial. “Um equipamento de prototipagem rápida que puder produzir o menisco diretamente tornará o processo mais ágil”, garante o doutorando.

O menisco artificial não é algo novo, comenta o químico. Kobayashi, por exemplo, produziu um menisco artificial a partir de uma barra de PVA, cortando-a em fatias redondas e adaptando-a manualmente. Já o mérito do trabalho de Célio, orientado pela docente Cecília Zavaglia da FEM e co-orientado por Vanessa Petrilli Bavaresco, do Departamento de Plásticos do Colégio Técnico de Campinas (Cotuca), foi ter alcançado a personalização da prótese.

O novo processo de obtenção de menisco já foi apresentado em seis congressos internacionais, despertando grande interesse da comunidade científica. No último evento, na Alemanha, que ocorreu no mês de abril, especialistas belgas manifestaram a intenção de conhecer os detalhes do processo.

O próximo passo, afirma Célio, seria entrar com pedido de patente, iniciativa que ele não pretende tomar. “A minha expectativa é disponibilizar a descoberta para o setor industrial para que um dia o acesso nas redes públicas de saúde seja viável”, ressalva. “Terá sido um grande avanço.”

■ Publicação

Tese: “Desenvolvimento de menisco personalizado de polivinil álcool (PVA) via prototipagem rápida (PR)”
Autor: Célio Hitoshi Wataya
Orientadora: Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia
Coorientadora: Vanessa Petrilli Bavaresco
Unidades: Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) e Colégio Técnico de Campinas (Cotuca)
Financiamento: Capes