Development of polymeric biodegradable materials with optimised mechanical properties for the freeforming plastic deposition of ureteral stents
Abstract
Mais de 1,5 milhão de stents ureterais são implantados globalmente a cada ano, entretanto, mais de 80% falham devido a complicações como refluxo ureterovesical, irritação tecidual e formação de biofilme cristalino infeccioso. Essas falhas resultam em dor e desconforto significativos para os pacientes, frequentemente exigindo reintervenções cirúrgicas, o que reduz ainda mais a qualidade de vida dos pacientes e aumenta os custos dos serviços de saúde. Embora a maioria dos stents comerciais seja fabricada a partir de polímeros não biodegradáveis (por exemplo, silicone ou poliuretano), períodos prolongados de permanência (superiores a quatro semanas) intensificam os riscos de incrustação mediada por biofilme, influenciada por fatores como o material do stent, comorbidades do paciente e composição da urina. Há uma necessidade crítica de desenvolver materiais biodegradáveis que mantenham o desempenho funcional durante o tratamento e se degradem de forma segura posteriormente, evitando assim procedimentos de remoção secundária e reduzindo complicações associadas ao biofilme.
Para enfrentar essas limitações, esta pesquisa teve como objetivo projetar, fabricar e caracterizar um novo stent urinário biodegradável utilizando misturas de ácido polilático (PLA), polihidroxibutirato (PHB) e policaprolactona (PCL), modificadas com aditivos funcionais para melhorar o desempenho. Os aditivos investigados incluíram nanotubos de haloisita para reforço mecânico, nanopartículas de ZnO/Ag e SiO2/Ag pelas suas propriedades antimicrobianas, além de polietilenoglicol (PEG) e óleo de soja epoxidado (ESO) para efeito compatibilizante. Esses aditivos foram incorporados para aprimorar a miscibilidade das misturas, a eficácia antimicrobiana e a citocompatibilidade. A extrusão por fusão a quente (HME) foi empregada para processar as misturas, priorizando testes mecânicos voltados para a flexibilidade do material, uma propriedade crítica para a funcionalidade dos stents ureterais. Embora muitas formulações tenham apresentado desempenho mecânico insuficiente ou citotoxicidade, as formulações otimizadas que demonstraram maior flexibilidade foram selecionadas para desenvolvimento adicional. Essas formulações foram processadas via Arburg Plastic Freeforming (APF), uma tecnologia de impressão 3D de alta precisão que exigiu otimização meticulosa de parâmetros (temperatura da rosca e do bico, altura da camada, razão de aspecto das gotas, ângulo de deposição, taxa de descarga, entre outros) para garantir a precisão dimensional e a integridade estrutural das peças impressas. Por meio da APF, um novo design de stent foi prototipado, divergindo do tradicional stent duplo J introduzido por Finney em 1978, que ainda apresenta limitações como desconforto ao paciente devido à rigidez e ao ajuste anatômico inadequado. Estudos de degradação in vitro demonstraram que o novo stent se biodegrada dentro de seis a oito semanas em urina artificial, alinhando-se aos períodos clínicos relevantes de permanência. Durante as oito semanas, os stents biodegradáveis apresentaram degradação controlada, com redução significativa da incrustação em comparação com os stents comerciais, que exibiram incrustação completa já na quarta semana. A caracterização analítica por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente (ICP-OES) confirmou que os depósitos de incrustação nos stents comerciais continham fosfato de cálcio, oxalato e estruvita. Em contrapartida, os stents biodegradáveis mantiveram alta viabilidade celular e biocompatibilidade, abordando diretamente as principais limitações dos modelos existentes. Testes comparativos contra stents comerciais de poliuretano demonstraram redução significativa na formação de biofilme e incrustação, validando seu potencial para mitigar complicações inerentes aos modelos atuais.
Este estudo avança no desenvolvimento de stents ureterais biodegradáveis ao integrar materiais biodegradáveis avançados, manufatura aditiva para prototipagem rápida e um design centrado no paciente. Ao abordar as limitações dos stents duplo J atuais, como desconforto e recorrência de complicações, esta pesquisa estabelece as bases para avanços na área de desenvolvimento de stents ureterais, com o objetivo final de melhorar a qualidade de vida dos pacientes. [resumo fornecido pelo autor]