‘Bioinspiração’: Conheça os materiais que exploram a fronteira entre o vivo e o não vivo

Falar sobre um material vivo pode parecer um pouco estranho. Estamos acostumados com concreto, aço, plásticos, mármore ou alumínio, que claramente não são nada vivos. Mas já existem outros materiais compostos total ou parcialmente por organismos como bactérias, algas, fungos ou células que têm a capacidade de responder ativamente ao seu ambiente, se autorregenerar e até desempenhar funções biológicas.

E estamos dando um passo além, gerando materiais a partir de células vivas que servem como uma matriz estrutural ou “andaime”. Eles são a interseção entre o vivo e o inerte.

Origens na “bioinspiração”

A “bioinspiração” é um dos princípios mais poderosos para o aproveitamento da criatividade no desenvolvimento de produtos inovadores e na descoberta de novos materiais.

Podemos pensar, por exemplo, no famoso caso do Velcro, inventado por George de Mestral em 1941. Durante uma viagem para caçar pássaros, De Mestral percebeu que os frutos da bardana (Arctium lappa L) ficavam grudando em suas roupas e no pelo de seu cachorro.

O engenheiro suíço examinou os frutos em um microscópio e descobriu que a planta da bardana tem um sistema de ganchos capaz de se prender às alças de tecido. Mais pesquisas e experimentos levaram ao sistema de fixação mais popular do mundo, conhecido hoje como Velcro.

Outro exemplo fascinante são as lâminas de turbinas para gerar energia eólica bioinspiradas.

Em um estudo publicado na The Royal Society, pesquisadores apresentaram um novo tipo de turbina eólica bioinspirada com lâminas elásticas, que se deformam passivamente devido à carga aerodinâmica e aos efeitos centrífugos.

Essa abordagem é inspirada em estudos sobre o voo de insetos e lâminas flexíveis de plantas com capacidade elástica para se adaptar às condições do vento e, assim, otimizar seu desempenho.

Esses são apenas dois dos inúmeros exemplos que mostram que, ao observar a natureza, os cientistas podem encontrar soluções para problemas humanos, bem como inspiração para novas invenções.

Impressão 3D, 4D e materiais bioinspirados

A bioinspiração tem sido um fator influente em toda a história da engenharia, mas tornou-se ainda mais proeminente com o desenvolvimento das tecnologias de manufatura aditiva. As técnicas de impressão 3D e 4D possibilitam a obtenção de geometrias altamente complexas, como as geometrias de seres vivos, por meio do processamento aditivo de vários materiais.

Os materiais de inspiração biológica imitam as características mecânicas e tribológicas, as estruturas hierárquicas, a multifuncionalidade, a aparência estética e a capacidade de reparação de materiais, tecidos, estruturas e sistemas encontrados em organismos vivos.

Esses materiais e dispositivos permitem uma complexidade geométrica maior do que a obtida com os processos tradicionais de fabricação não aditiva e, ao mesmo tempo, seu design permite uma estrutura funcional mais simples.

Um exemplo claro de materiais biológicos que integram essas características e inspiram os pesquisadores é a madrepérola, encontrada em algumas conchas marinhas. Essa estrutura natural é formada por uma organização hierárquica de camadas microscópicas que combinam dureza e resistência ao impacto.

Sua complexidade geométrica lhe confere uma multifuncionalidade excepcional: protege o organismo, distribui eficientemente as tensões mecânicas e proporciona uma superfície resistente ao desgaste.

Inspirados na madrepérola, materiais compostos foram desenvolvidos por meio de impressão 3D que imitam sua estrutura em camadas. Isso possibilita a criação de revestimentos e componentes fortes e leves, que também podem ter propriedades térmicas e biológicas, como resistência à corrosão ou biocompatibilidade.

O objetivo final desses materiais de inspiração biológica é alcançar a simplicidade por meio da complexidade geométrica.

O início dos materiais vivos

Um passo adiante estão os materiais vivos, que integram células eucarióticas ou procarióticas. As próprias células vivas produzem uma matriz estrutural ou “andaime”.

O conceito foi introduzido pelo pesquisador de Harvard Peter Q. Nguyen e colegas em 2018, em seu estudo “Engineering living materials: prospects and challenges of using biological systems to drive the assembly of smart materials”.

O desenvolvimento de materiais vivos é uma consequência direta da convergência de pesquisas em campos emergentes, como engenharia de tecidos e biofabricação, robôs, máquinas e dispositivos biohíbridos.

Acrescente à lista o bio-MEMS/NEMS (dispositivos microscópicos e nanoscópicos, respectivamente, projetados para interagir com sistemas biológicos) e a botânica construtiva ou “Baubotanik”, arquitetura que integra plantas vivas diretamente na estrutura de edifícios e construções.

Nesses materiais, as entidades vivas podem se tornar fábricas de micromateriais, geradores de energia miniaturizados e sensores ou atuadores com especificidade e sensibilidade sem precedentes, acrescentando funcionalidades adicionais aos materiais inteligentes já clássicos.

De certa forma, é o complemento perfeito para materiais bioinspirados e inteligentes: as três linhas estão conectadas.

Aplicações na medicina

Não podemos falar sobre esses materiais sem destacar suas excelentes aplicações na medicina. No projeto europeu INKplant, por exemplo, nossa equipe da Universidad Politécnica de Madrid (UPM) trabalhou aplicando estratégias de design bioinspiradas para fabricar próteses e implantes avançados, com estruturas hierárquicas, gradientes funcionais e combinação de vários materiais.

Assim, projetamos e fabricamos protótipos para problemas articulares e osteocondrais - implantes de quadril, meniscos artificiais e reconstruções de tíbia - e para patologias maxilofaciais - reconstruções de mandíbula e implantes dentários - entre outros estudos de caso.

Com relação aos materiais vivos, na UPM e em colaboração com pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe e do IMDEA Materials, contribuímos para definir essa promissora área de pesquisa.

Nosso trabalho também se concentrou no desenvolvimento de estruturas compatíveis com o crescimento celular, usando materiais como carbono pirolítico no projeto de microestruturas dinâmicas para o crescimento de tecido muscular em 3D e explorando novas maneiras de simular e caracterizar seu comportamento.

Além disso, juntamente com especialistas em ética e filosofia das universidades de Aalborg e Freiburg, começamos a refletir sobre as implicações sociais e éticas dessas tecnologias emergentes, em um esforço para entender melhor os limites entre o vivo e o inerte.

Materiais bioinspirados e vivos abrem novos caminhos para a solução de desafios tecnológicos, sociais e ambientais, mas também nos convidam a repensar nossas próprias definições do que é um material, o que significa estar vivo e até mesmo como projetamos novas tecnologias.

Ao diluir as fronteiras entre o vivo e o inerte, esses avanços nos levam a uma engenharia mais integrada à natureza, mais eficiente e, idealmente, mais sustentável.