Vencedores da bolsa de estudos da Faculdade de Materiais Avançados de Stanford para 2021

A bolsa de estudos universitária 2021 da SAM se concentra no impacto das novas tecnologias e dos novos materiais em nossa sociedade. Os materiais avançados trouxeram um futuro brilhante para nós, mas ainda existem vários problemas tecnológicos. Assim, a SAM convidou os alunos a falar sobre qual problema tecnológico representará o maior desafio na próxima década. A SAM também pediu que eles compartilhassem projetos anteriores que resolveram um problema usando materiais avançados.

Nos últimos meses, recebemos cerca de 150 envios de redações e 20 envios de vídeos. Todos esses alunos fizeram um bom trabalho e esperamos que todos eles tenham grandes realizações no futuro!

A partir desses envios, finalmente selecionamos dois vencedores.

Madeline Brown
da Universidade da Califórnia, San Diego

Carta de agradecimento de Madeline Brown

Alex Guerra
da Universidade Estadual de San Jose

Carta de agradecimento de Alex Guerra

Aqui estão seus envios.

Ensaio - Madeline Brown

A morte do bisturi: um olhar sobre o futuro da cirurgia

À medida que o campo da medicina avança, uma prática permanece em um passado arcaico. Independentemente dos avanços tecnológicos no campo da cirurgia, a prática de abrir ativamente o corpo humano por meio de incisão traz à mente imagens das práticas bárbaras da medicina antiga. Além de expor o corpo a doenças por meio de micróbios resistentes a antibióticos, uma incisão de qualquer tipo acumula tecido cicatricial: uma lembrança pós-cirúrgica extremamente dolorosa para qualquer paciente. Resolver esse problema não será uma tarefa fácil; entretanto, a utilização de materiais avançados torna isso possível.

Minha paixão por aprimorar os métodos cirúrgicos começou perto de casa, com minha mãe. No meio do meu primeiro ano de faculdade, minha mãe descobriu que precisava de uma substituição de válvula cardíaca. A cirurgia foi realizada por meio de um procedimento minimamente invasivo: uma incisão feita na axila direita, passando por uma artéria até a válvula afetada. Após a cirurgia, meu irmão e eu ficamos com ela na sala de recuperação; foi nessa sala que percebi que a cirurgia moderna era falha. Durante todo o tempo, ela sentia dor, mas não era o coração que doía: era a incisão. À medida que o tempo passava após o procedimento, o controle das complicações associadas à incisão tornou-se árduo. Em um esforço para evitar infecções, as limpezas diárias e as substituições de curativos se tornaram a norma. Embora as instruções pós-cirúrgicas tenham sido seguidas à risca, minha mãe ainda sofria de dor na área da incisão, provavelmente devido ao acúmulo de tecido cicatricial, eaté hoje ela sofre com uma lembrança constante do procedimento, a dor desnecessária do tecido cicatricial. Foi essa noção de que essa dor era desnecessária que me estimulou a criar um método de cirurgia que pudesse prevenir o tecido cicatricial antes que ele começasse: um método cirúrgico sem incisão.

A solução para o avanço da cirurgia seria uma aplicação estratégica de dispositivos de administração de medicamentos. Ou seja, uma combinação de partículas de silicone poroso e um polímero. As vantagens desse sistema híbrido tornam-se evidentes ao analisar seus componentes. As partículas de silicone podem ser ajustadas para conter cargas específicas de medicamentos, enquanto o polímero seria utilizado para evitar que as partículas migrassem para áreas não intencionais. O atrativo de usar esse método está na noção de que ele pode ser adaptado às necessidades específicas de um paciente, além de ser praticamente não invasivo. Por exemplo, se um paciente sofre um derrame isquêmico, para difundir o coágulo, partículas de silicone carregadas com t-PA podem ser guiadas pela corrente sanguínea até o local do coágulo e agir para dispersá-lo. Isso se mostra particularmente vantajoso, pois direciona o t-PA, potencialmente tóxico, para um ponto isolado e tem a capacidade de ser maximamente eficaz na eliminação do coágulo.

Com o financiamento adequado, eu começaria a testar os recursos de um sistema híbrido de entrega de medicamentos de polímero híbrido-silício poroso. O suporte para as partículas carregadas com fármacos seria a policaprolactona (PCL), pois esse polímero aprovado pela FDA demonstrou encapsular com eficácia as nanopartículas de silício [1]. Em segundo lugar, as partículas de silício poroso seriam produzidas por meio de gravação eletroquímica [2], essas partículas têm a capacidade exclusiva de serem ajustadas com precisão para carregar vários medicamentos. O "ajuste" pode ser feito alterando a porosidade e o tamanho das partículas, otimizando ambos os recursos para acomodar adequadamente uma carga útil escolhida. Dependendo da função pretendida do sistema de liberação de polímero de partículas híbridas, o fármaco carregado variaria. Por exemplo, se meu foco fosse a revascularização do tecido, eu carregaria várias formas de VEGF (cada uma demonstrou ter um impacto diferente na vascularização) nas partículas de silicone. Uma vez que as partículas de silicone poroso estivessem carregadas com o fármaco desejado, elas poderiam ser incorporadas ao PCL por meio de nebulização por pulverização: combinando as duas soluções e pulverizando-as com um aerógrafo. [3] Quando disparado do aerógrafo, o PCL formará fibras orientadas que, quando focalizadas, formam um adesivo. Esse adesivo pode ser cortado no tamanho adequado e implantado no corpo por meio de um trocarte, reduzindo, assim, o impacto de uma incisão ao impacto de uma vacina grande.

Para realizar procedimentos mais complexos, um conjunto de combinações de partículas e polímeros deve ser usado: partículas para realizar e fechar incisões, promover a cicatrização etc. Cada uma delas exigiria seu próprio processo de pesquisa separado, mas, quando reunidas, o sistema revolucionaria a medicina. Afinal de contas, um sistema cirúrgico administrado por meio de uma injeção produziria um processo não apenas menos suscetível a infecções resistentes a antibióticos, mas também menos suscetível ao acúmulo de tecido cicatricial doloroso.

A evolução da medicina depende do reconhecimento de suas armadilhas, não importa quão pequenas elas sejam para um observador. No caso da cirurgia moderna, caímos no ritmo de causar danos aospacientes a fim de curar suas doenças. Embora isso pareça uma troca nobre, não devemos nos esquecer do juramento que todos os médicos fazem: "primum non nocere", não causar danos. Portanto, para atender aos pacientes da melhor forma possível, precisamos encontrar uma maneira de abandonar o bisturi em favor de técnicas nano e microinvasivas. Ao adotar essas técnicas, podemos ampliar ainda mais os limites da medicina para realmente adotar a máxima de não causar danos.

Citações

[1]Zuidema, J. M., Dumont, C. M., Wang, J., Batchelor, W. M., Lu, Y.-S., Kang, J., Bertucci, A., Ziebarth, N. M., Shea, L. D., Sailor, M. J., Porous Silicon Nanoparticles Embedded in Poly(lactic-co-glycolic acid) Nanofiber Scaffolds Deliver Neurotrophic Payloads to Enhance Neuronal Growth. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002560. https://doi.org/10.1002/adfm.202002560

[2]Qin, Z., Joo, J., Gu, L. e Sailor, M.J. (2014), Size Control of Porous Silicon Nanoparticles by Electrochemical Perforation Etching. Parte. Part. Syst. Charact., 31: 252-256. https://doi.org/10.1002/ppsc.201300244

[3]Zuidema, J. M., Kumeria, T., Kim, D., Kang, J., Wang, J., Hollett, G., Zhang, X., Roberts, D. S., Chan, N., Dowling, C., Blanco-Suarez, E., Allen, N. J., Tuszynski, M. H., Sailor, M. J., Adv. Mater. 2018, 30, 1706785. https://doi.org/10.1002/adma.201706785

Vídeo - Alex Guerra