Biomateriais e tecido ósseo

Biomateriais e metabolismo ósseo

O osso é um tecido dinâmico, sujeito a mudanças constantes ao longo da vida, de modo que um indivíduo adulto, ao contrário do senso comum, terá renovado diversas vezes as células dos seus ossos. As suas funções são variadas, desde atuação mecânica na sustentação do corpo, na proteção de órgãos e função metabólica atuando como reservas de cálcio e fósforo além de uma função endócrina. Podem ser divididos de acordo com o formado em ossos cursos, chatos e longos. Estruturalmente um osso apresenta uma região dura, e outra porosa, e não é monolítico, apresenta em seu interior nervos e vasos sanguíneos e servem de base para fixação de outros tecidos, como os músculos ou os dentes.

A nível celular são formados basicamente de osteoblastos, responsáveis pela formação do tecido ósseo, e osteoclastos, responsáveis pelo consumo do osso. Isso porque o osso apresenta uma matriz extracelular formada por cálcio e fósforo (hidroxiapatita) e uma matriz de colágeno e proteínas basicamente.

A formação do tecido ósseo tem seu princípio numa sinalização molecular que promove a diferenciação de células tronco. De forma resumida: um monócito, que é uma célula do sistema imunológico, pode se diferenciar em um macrófago (célula responsável por atacar corpos estranhos) ou formar um precursor de osteoblastos. De acordo com um receptor, que indica quando a formação de osteoblastos atingiu os níveis ideais, os osteoblastos se agrupam para formar osteoclastos que mantém o balanço da quantidade de matriz extracelular que é formada.

Os osteoblastos formados, mineralizam cálcio e fosfato, absorvendo-os do organismo, e depositando na forma mineral. A vitamina D auxilia (ativa) este processo de mineralização.

Este processo de ossificação pode-se dar de diferentes formas, podendo ser:  intermembranosa, quando em meio as membranas do tecido conjuntivo começa a haver a diferenciação celular e mineralização, como é o caso da maioria dos ossos chatos, como os do crânio, ou endocondral, quando as células mesodérmicas (células com grande capacidade de diferenciação) se transformam em células produtoras de cartilagem, e são formadas zonas: zona de repouso, de proliferação, de cartilagem hipertrófica, de cartilagem calcificada, e zona de ossificação. Este tipo de ossificação é comum em ossos longos, como os dos braços e pernas. A zona de repouso, é a responsável pelo crescimento.

Apesar da dinâmica do tecido ósseo, a remodelação óssea em indivíduos adultos é um processo que pode levar até três meses. Após uma fratura, forma-se um hematoma no local, devido a ruptura de vaso sanguíneos, e em sequência no processo de remodelação há a formação de um calo cicatricial chamado soft callus, depois um hard callus e a completa cicatrização.

Desequilíbrios entre a quantidade de osteoblastos e osteoclastos podem levar a problemas conhecidos como osteoporose, quando há um excesso de osteoclastos que consomem o osso, e uma falta de osteoblastos, formadores do osso, e a osteopetrose quando ocorre o contrário e o osso fica extremamente mineralizado levado a sua fragilidade. Esta última forma de patologia é devida a uma mutação no gene clc7, de forma que o osteoblasto absorve minerais demais fragilizando o tecido ósseo.  

O tecido ósseo apresenta ainda um aspecto endocrinológico, fornecendo enzimas ou participando de processos endocrinológicos, nos músculos, nos rins, no pâncreas (homeostase da glicose) e na fertilidade masculina.

A abordagem do estudo de biomateriais para finalidades ósseas vai, desde a cultura de células ósseas, até a análise genética, passando por testes de viabilidade de proliferação e de diferenciação, além de análise microestrutural.

A cultura celular é uma etapa rigorosa, sujeita a diversos controles e critérios, e apresenta uma menor variabilidade do que testes em vivo, e possibilita estudar fenômenos inacessíveis, que ocorrem no interior do organismo, e seu acompanhamento ao longo do tempo. É uma etapa onde certos procedimentos são necessários, como isolamento e purificação que tem a finalidade de isolar células de um determinado tecido, livrando as de impurezas, bactérias, ou elementos estranhos, e até mesmo células de outros tecidos. É realizada em plásticos, ou frascos de cultura (vidro ou plástico) geralmente numa superfície sólida, pois a maioria dos elementos ósseos dependem de uma gravidade específica para sua formação. Em alguns casos as células necessitam de um ambiente tridimensional para sua formação e proliferação. Para tanto é comumente utilizado o colágeno. Além disso as condições fisiológicas devem ser mimetizadas, fornecendo nutrientes, temperatura e pH semelhantes a região do organismo onde aquelas células se desenvolvem.