O teste balístico é uma condição dinâmica usando um projétil, cujo impacto introduz um pulso de energia no material que então viaja para a face livre oposta. Os sistemas de proteção balística modernos geralmente incorporam materiais cerâmicos para impedir o projétil e podem ser colados a uma placa de apoio.

A diferença de impedância entre a cerâmica e o adesivo afeta a quantidade de energia refletida da face sem a cerâmica. Um adesivo de baixa rigidez tem uma impedância muito menor do que a cerâmica e resultará em mais energia sendo refletida de volta na cerâmica durante o estágio inicial do evento balístico, resultando em mais danos à cerâmica. 

Assim, há vantagens em se utilizar um adesivo mais rígido que consiga transmitir maiores quantidades de energia para longe da cerâmica e que também proporciona maior sustentação à cerâmica durante o impacto. Usar um adesivo rígido, como epóxi, significa que a energia transmitida à camada adesiva é tipicamente dez vezes maior do que quando se usa um material de menor rigidez, como o poliuretano. 

No entanto, para que o sistema de proteção funcione, a cerâmica deve permanecer ligada à placa de apoio e isso tem sido um problema com os adesivos mais rígidos. Além disso, há pouca pesquisa para orientar melhorias na adesão de cerâmicas a polímeros. Como resultados dos testes, quatro painéis compostos de alumina foram testados no total. Cada painel foi disparado uma única vez usando um projétil de 14,5 mm.

Os painéis tratados com laser demonstraram maior resistência aos danos do impacto. Os únicos ladrilhos que foram destacados foram aqueles imediatamente ao redor do local do impacto. A área danificada não era muito maior do que o buraco na camada composta frontal. As partes restantes no painel ainda estavam presas ao suporte e o painel ainda estava rígido. Ou seja, resistiram ao impacto. Os autores verificaram também que o material de suporte havia falhado e deixado fibras dentro da camada adesiva. Isso demonstra que a interface entre a cerâmica e a camada adesiva foi mais forte e mais resistente ao choque por impacto do que as outras interfaces.

Já para os painéis de carbeto de silício, três painéis foram testados Cada painel foi testado quatro vezes. Após o primeiro disparo, os disparos subsequentes estavam a um espaçamento de aproximadamente 100 mm do tiro anterior. Observou-se que o terceiro e quarto impacto nos painéis de controle tiveram menores áreas de danos na parte frontal do painel. Os autores afirmam que a bala não transmitiu tanta energia na superfície imediata da cerâmica e isso pode ser resultado de um tempo de permanência reduzido da bala. 

O quarto impacto penetrou completamente no painel. Em comparação, o painel processado a laser demonstrou pouca mudança no dano observado na frente dos painéis. Ao contrário dos outros testes, o quarto projétil também foi parado dentro do painel. Como resultado, os desempenhos balísticos dos painéis de controle, reaquecidos e tratados com laser foram comparados para entender as diferenças nos danos sofridos. Após o teste, os autores realizaram uma avaliação qualitativa da área danificada e do local de falha da ligação adesiva.

Os painéis feitos das amostras de controle de alumina e carbeto de silício exibiram o maior grau de dano após o teste. Todos os painéis de alumina foram destacados da camada compósita/adesiva. Além disso, a diminuição da rigidez do painel também foi observada após cada impacto. O painel de carboneto de silício reaquecido mostrou pouca melhora em comparação com o controle. 

Os painéis tratados com laser demonstraram a maior resistência aos danos dos impactos. O painel de alumina sofreu danos apenas no local do impacto e observou-se que era apenas ligeiramente maior do que o buraco causado pelo impacto da bala. O painel de carboneto de silício parou todas as quatro balas e permaneceu rígido durante todo o teste.

Embora os autores afirmem que seja necessário mais testes para confirmar a aplicabilidade geral desta pesquisa, eles indicam que os tratamentos a laser podem oferecer rotas comercialmente viáveis para melhorar a resistência da união adesiva e, portanto, o desempenho balístico da armadura de cerâmica com suporte de um material compósito. 

Pesquisas referentes à proteção balística são de extrema importância na área da engenharia, tendo um impacto na segurança social e nos campos militares. A engenharia de materiais está muito presente neste ramo que tende a receber cada vez mais atenção das indústrias.

Os materiais cerâmicos, de modo geral, são duros, quebradiços, resistentes ao desgaste e resistentes à corrosão, o que explica seu potencial ortopédico como implantes médicos, como próteses da articulação do quadril. 

As biocerâmicas são uma subclasse de cerâmica desenvolvida na década de 1970 e além das boas propriedades mecânicas existentes da cerâmica, as biocerâmicas incluem excelente biocompatibilidade e grande potencial de bioatividade. Portanto, esses biomateriais também são usados em inúmeros implantes dentários, enxertos ósseos e scaffolds para promover a osteogênese no campo da engenharia de tecidos.

A demanda cada vez mais crescente por dispositivos e peças de materiais biocerâmicos requer métodos mais rápidos e precisos para sua fabricação. A tecnologia de fabricação subtrativa é comum, embora imperfeita. A maioria dos métodos para fabricar scaffolds de cerâmica, usando moldes de polímero ou agentes espumantes, são criados usando métodos subtrativos. Esses métodos criam os poros no scaffold de forma aleatória e, portanto, não podem fornecer um bom controle de parâmetros. 

Para outras aplicações, como ortopedia, uma máquina computadorizada pode subtrair partes indesejadas de um material e deixar apenas a forma desejada. O material subtraído pode, então, fabricar outros componentes menores ou ser descartado como desperdício. Com o surgimento da manufatura aditiva, houve uma solução para os problemas da manufatura subtrativa. Sendo assim, as impressoras 3D podem construir objetos complexos em menor tempo, com menor quantidade de peças e com menos desperdício. 

De forma geral, uma impressora 3D recebe um modelo tridimensional (CAD) para seu software de processamento e todo o processo é automatizado. Os programas de processamento das camadas fornecem personalização adicional dos parâmetros de impressão, como preenchimento, temperatura e velocidade de impressão.  A manufatura aditiva não precisa de moldes ou usinagem para construção complexa de modelos como scaffolds. Além disso, a impressão 3D não se limita apenas a materiais plásticos. A tecnologia de impressão 3D atual permite o uso de materiais alternativos, incluindo biotintas e, claro, cerâmicas com as devidas adaptações.

Cada técnica de manufatura aditiva ainda mantém a ideia de “camada por camada” que define o processo, no entanto, variações no método de impressão ou materiais podem resultar em imensas mudanças em características como resistência mecânica, biocompatibilidade, porosidade e até mesmo custo. Assim, não existe um método universal de “melhor” impressão 3D para materiais biocerâmicos. Vamos aos métodos existentes hoje:

A impressão baseada em extrusão, ou Fused Deposition Modeling (FDM), é uma das técnicas mais conhecidas e utilizadas tradicionalmente. Um dispositivo recebe um modelo 3D e, em seguida, inicia a impressão aquecendo o cabeçote de impressão e a mesa de impressão. 

O bocal então extruda o material cerâmico (com adaptações) camada por camada. Cada camada endurece à medida que é colocada e se torna um produto sólido. O método de FDM consome pouca energia e custa menos do que algumas outras técnicas de manufatura aditiva, e por esta razão, eles são muito estudados para engenharia de tecido ósseo.

O jateamento de material (material jetting) é outra técnica de manufatura aditiva que pode incluir materiais biocerâmicos. Sua tecnologia é relativa a impressoras domésticas em papel colorido. No entanto, o jateamento de material também pode formar geometrias cerâmicas 3D complexas sem defeitos microestruturais perceptíveis. Com o jateamento de material, quantidades de gotículas suspensas em cerâmica são dispersadas com precisão em um material de substrato ou superfície de impressão. Essas gotículas então solidificam através da evaporação do solvente, gelificação induzida por temperatura ou reações químicas. O processo se repete camada por camada até que um sólido 3D do objeto desejado seja fabricado.

Binder jetting (ou jateamento de ligante em tradução literal) é outra forma de manufatura aditiva capaz de realizar a fabricação sólida de forma livre de materiais cerâmicos. Neste processo, as camadas de pós biocerâmicos são dispersas uniformemente em uma plataforma de construção. Um mecanismo deixa cair o fluido aglutinante no pó para unir as camadas. Após a conclusão do processo, a cerâmica desenvolvida é sinterizada para integridade estrutural. 

Além de usar depósitos de gotículas, existem abordagens baseadas em laser para a manufatura aditiva de materiais biocerâmicos. A sinterização seletiva a laser (SLS) é um método baseado em pó. Nele, é utilizado um laser para derreter (ou fundir) parcialmente as partículas de cerâmica até que elas se unam ou “sinterizem”. 

O pó é depositado camada por camada sobre um leito. Depois que cada camada é depositada, um laser de passagem escaneia o pó em um determinado padrão. Este processo é repetido para cada camada até que o produto final seja formado. O produto que é produzido a partir desse processo pode ser bastante poroso, sendo uma escolha ideal para scaffolds para a engenharia de tecidos.

Os métodos atuais de fotopolimerização em cuba usam materiais cerâmicos misturados à resina para impressões precisas e com detalhes finos. De modo geral, um recipiente cheio de resina fotossensível é curado através da exposição à luz UV, uma camada de cada vez. O corpo verde resultante é então pós-processado por meio de sinterização. 

Todos esses métodos de produção de materiais biocerâmicos foram estudados para determinadas aplicações na indústria, tais como: scaffolds (para regeneração de tecidos), enxertos ósseos, odontologia e revestimentos de implantes. As técnicas de impressão de biocerâmica apresentadas no artigo possuem características específicas que as tornam adequadas para necessidades únicas. Reforçando mais ainda que na manufatura aditiva de biocerâmica não existe uma técnica melhor que a outra. 

Além disso, é importante considerar a microestrutura, bem como as demais propriedades do material cerâmico que está sendo impresso. O tamanho e a composição das partículas de cerâmica podem afetar a homogeneidade geral, a porosidade e as propriedades mecânicas após a sinterização. Há muito mais parâmetros a serem considerados em cada processo, e mais pesquisas são necessárias para estabelecer mais protocolos padrão para controlar esses parâmetros. 

A engenharia de materiais atua fortemente nesta área, somando as duas linhas de atuação: estudo dos parâmetros de materiais biocerâmicos (microestrutura, homogeneidade, composição, etc) e métodos de fabricação. Com isso, podemos concluir que a área de biocerâmicas apresenta um grande potencial nas próximas gerações de engenheiros e de pesquisadores.

Uma questão crucial para uma interface neural é a reação crônica de corpo estranho após a implantação. Evitar essa situação de rejeição, ou pelo menos reduzir sua gravidade, é necessário para preservar o funcionamento a longo prazo das interfaces neurais.

Essa reação é inevitável sempre que qualquer material entra em contato com fluidos corporais. Em contraste, a engenharia de materiais e os processos avançados de fabricação podem minimizar sua gravidade, por exemplo, melhorando a complacência mecânica do implante, diminuindo o tamanho do dispositivo e reduzindo a implantação e o trauma crônico.

Uma das limitações mais comuns das interfaces neurais é a incompatibilidade mecânica entre o implante neural rígido e o tecido neural mole. Essa incompatibilidade intensifica o dano neural e a rejeição causada pela inserção, compressão e movimento. O tecido neural é curvo, macio, dinâmico e sujeito a deformações causadas, por exemplo, pela pulsação sanguínea, pressão respiratória e movimentos naturais do corpo. Em contraste, a maioria das interfaces neurais são estáticas e lutam para se adequar ao tecido neural em condições estáticas e dinâmicas. 

A poliimida (PI) e outros materiais são amplamente utilizados em interfaces neurais flexíveis. As vantagens desses materiais são sua estabilidade bioquímica e térmica e sua compatibilidade com processos de microfabricação em salas limpas. Além disso, o polidimetilsiloxano (PDMS), poliuretano e outros elastômeros foram explorados em interfaces neurais conformáveis e elásticas em camadas nos nervos, na medula espinhal, na retina e no cérebro.

Os avanços da ciência e engenharia de materiais são cruciais para que as interfaces neurais alcancem a excelência científica. Um grande corpo de pesquisa investiga novos materiais, métodos avançados de engenharia e abordagens cirúrgicas menos invasivas. No entanto, os implantes neurais amplamente adotados sofreram apenas pequenas alterações nas últimas décadas e foram construídos com base em materiais, sistemas e metodologias antiquados, mas amplamente caracterizados. A pesquisa acadêmica incentiva e recompensa a inovação contínua, melhorando e aperfeiçoando gradativamente as tecnologias existentes.

Se não for suficientemente desenvolvida e validada, a inovação científica não é adotada rapidamente na indústria médica e nas clínicas. A excelência científica é necessária, mas são necessários mais argumentos para que a indústria decida se deve investir em novas tecnologias. 

A inovação científica deve atender à conformidade regulatória e aos padrões da indústria na cadeia de valor para provar sua atratividade. Ao mesmo tempo, a indústria médica pode favorecer o status quo e suas tecnologias estabelecidas devido ao complexo cenário regulatório, que geralmente resulta em custos enormes para qualquer inovação chegar ao mercado. Essas direções divergentes criam uma lacuna entre a pesquisa acadêmica e a adoção pela indústria. Para preencher a lacuna, as instituições de pesquisa criam startups com foco na tradução industrial e clínica de novos materiais, tecnologias e dispositivos.

Portanto, a neurotecnologia requer investimento estável antes que a pesquisa acadêmica possa cruzar a fronteira do laboratório e passar para uma fase industrial sustentável. O investimento em pesquisa e as instituições acadêmicas devem apoiar ideias inéditas de alto impacto e o longo e dispendioso processo seguinte de otimização tecnológica, melhoria da confiabilidade e validação. 

Esse processo deve permitir que os pesquisadores abordem limitações técnicas fundamentais conhecidas, muitas vezes negligenciadas, pois são menos atraentes para resultados atraentes. A pesquisa acadêmica deve coletivamente dedicar mais esforços à otimização técnica de algumas soluções promissoras, em vez de buscar continuamente apenas a inovação.

Em julgamentos de casos de incêndio, é necessário fornecer evidências científicas. Assim, determinar a presença de um acelerador de incêndio no local é fundamental para essa etapa da investigação. 

Atualmente, o método mais utilizado para identificar aceleradores no local do incêndio é feito em duas etapas: a primeira etapa é extrair fragmentos de aceleradores suspeitos de detritos de incêndio (como extração, adsorção física, método de destilação e derivatização química) e, em seguida, realizar uma análise química para identificar se houve componentes aceleradores na amostra (como cromatografia gasosa- espectrometria de massa, infravermelho e ultravioleta).

No entanto, no local do incêndio, o ambiente complexo de combustão e a destruição durante a extinção do incêndio dificultam não apenas a extração de amostras de qualidade para análise, mas também a extração de aceleradores de combustão voláteis. De acordo com os autores e a teoria da oxidação em alta temperatura, quando os metais são oxidados em um incêndio, o produto da oxidação registra informações sobre a temperatura (temperatura de combustão), composição atmosférica (aceleradores) e tempo de oxidação (duração da combustão).

Por exemplo, a alta temperatura instável da combustão da chama afeta a nucleação e o crescimento de óxidos metálicos; o carbono da combustão incompleta é depositado nas superfícies metálicas; o plasma na chama acelera muito a oxidação do metal e a convecção do ar devido à turbulência rasga a camada de óxido metálico. Com isso, os autores propuseram um novo método para determinar a presença de aceleradores de incêndio com base nas características de oxidação do metal, o que pode melhorar a coleta de evidências para casos de incêndio. 

Figura 1: Dispositivo de simulação de atmosfera de combustão de etanol utilizado pelos autores. Fonte: (Dongbai et al. 2022).

O estudo consiste em analisar o comportamento de oxidação do cobre em uma cena de incêndio controlada com etanol como acelerador, com o objetivo de oferecer informações complementares sobre as características do incêndio e determinar se um acelerador líquido foi envolvido. No estudo, o cobre foi usado. A amostra foi cortada em pedaços e, em seguida, foi polida mecanicamente e desengraxada com acetona, seguido de limpeza ultrassônica e lavagem com etanol antes de ser seco com ar frio para uso posterior.

Como resultados, os autores afirmam que a oxidação do cobre durante a combustão do etanol se diferenciou da sua oxidação ao ar nos seguintes aspectos: (1) a atmosfera oxidante gerada pela combustão do etanol promoveu a oxidação do metal, (2) a convecção de ar quente ao redor da amostra devido à combustão da chama promoveu o descascamento da camada de óxido e (3) o carbono elementar produzido pela combustão incompleta do etanol foi depositado na superfície do metal. 

Neste estudo, o comportamento de oxidação do cobre metálico no ambiente de combustão do etanol foi estudado e sua relação com o acelerador na cena do incêndio foi esclarecida, o que se esperava fornecer novas ideias para investigações de incêndio.

Com base nos resultados, os autores fizeram as seguintes conclusões: 

1) Rachaduras e descamação em grande área da camada de óxido que apareceram na superfície do metal, que estão relacionadas aos fortes componentes do gás oxidante gerados durante a oxidação e a convecção de ar quente resultante da combustão que “rasga” a camada de óxido. 

2) Os óxidos gerados no plano cristalino (111) do cobre foram muito maiores do que os gerados no plano cristalino (311), o que é contrário aos resultados da oxidação via ar quente. 

3) O elemento carbono foi depositado na superfície do cobre metálico, que possui uma estrutura hexagonal que corresponde à composição química do etanol (aceleradores de combustão).

Com isso, o método proposto pelos autores forneceu novas perspectivas e um meio de determinar o uso de aceleradores em incêndios através do estudo do cobre e da sua estrutura cristalina. Este artigo foi mais um exemplo da grande amplitude de aplicação da engenharia de materiais, neste caso, em perícias criminais.

Com o desenvolvimento da tecnologia da informação, as pessoas estão trocando informações cada vez com mais frequência. Neste contexto, a questão da segurança da informação tem recebido mais atenção do que nunca, e grandes esforços têm sido feitos para explorar novas tecnologias de criptografia para aumentar a segurança da informação. 

Entre os métodos técnicos, a criptografia holográfica óptica tornou-se um dos tópicos de pesquisa mais importantes da tecnologia moderna de criptografia devido às suas características técnicas únicas. Nela, as informações podem ser ocultadas em uma variedade de parâmetros, como fase, frequência espacial, polarização ou comprimento de onda, o que a confere uma excelente capacidade de codificação e design de flexível.

Enquanto isso, os cristais líquidos (LCs - liquid crystals) também têm sido amplamente utilizados em modulações espaciais de luz devido às características ópticas únicas de controle de polarização e sensibilidade à resposta a estímulos externos. Assim, as meta-superfícies integradas ao cristal líquido também podem funcionar como candidatas à criptografia de informações, que podem ser implementadas alterando as tensões aplicadas ou à temperatura ambiente.

Inspirado no Tiger Amulet (Amuleto de Tigre - tradução literal), uma ferramenta em forma de tigre emitida para generais na China antiga, os autores propuseram um método de criptografia de alta segurança baseado em um holograma de cristal líquido “quatro em um” para resolver alguns problemas de segurança que alguns métodos atuais enfrentam.

Figura 1: Em (a) tem-se a inspiração do Tiger Amulet, em (b) tem-se a ilustração esquemática do resultado da reconstrução quando quatro pequenos hologramas são colocados no caminho óptico para trabalhar separadamente e em (c) tem-se a ilustração esquemática do resultado da reconstrução quando quatro pequenos hologramas são unidos da forma correta. Fonte: (Huang et al. 2023).

A ideia básica de como o Tiger Amulet funciona é que um amuleto do mesmo grupo (ou seja, equivalente) pode ser combinado para formar um padrão completo e desempenhar o papel de transmitir ordens. O método proposto pelos autores funciona em uma lógica semelhante: a imagem criptografada mais importante só pode ser exibida quando os quatro hologramas de cristal líquido no mesmo grupo são unidos em um todo de acordo com a ordem projetada. Quando juntados na ordem errada ou colocados num outro caminho óptico, as informações de camuflagem (ou seja, falsas) seriam decodificadas, ao invés das informações reais. 

Com muitas vantagens, como grande área de fabricação e baixo custo, o cristal líquido foi escolhido como material perfeito para implementar o novo método de criptografia proposto pelos autores. Além disso, ao aplicar tensões externas, os ângulos de orientação fora do plano variam, levando a uma eficiência holográfica diferente e a condições de descriptografia mais exigentes. 

Segundo os autores, a imagem criptografada é ocultada quando os quatro pequenos hologramas funcionam separadamente no caminho óptico. Mas quando eles são combinados corretamente, a imagem criptografada pode ser decodificada e exibida. 

Isso quebra a propriedade de que qualquer parte do holograma tradicional contém informações de ondas de luz de objetos inteiros. Portanto, mesmo que um único holograma pequeno seja roubado, por exemplo, as informações criptografadas não podem ser recuperadas e apenas as informações erradas como camuflagem seriam decodificadas, o que aumenta a segurança das informações. 

Figura 2: Resultados experimentais do holograma de cristal líquido “quatro em um” em diferentes ordens. Em (a) tem-se a imagem holográfica de quatro hologramas projetados na ordem correta e em (b) tem-se a imagem holográfica de quatro hologramas projetados em conjunto na ordem errada. Fonte: (Huang et al. 2023).

Como podemos ver, o método dos autores fornece um esquema de criptografia com design simples, alta segurança e baixa interferência, que apresenta grande potencial nas áreas de ocultação de informações e criptografia de imagens. Podemos não ver tão nitidamente em nosso dia a dia, mas a segurança de informação está presente em cada setor, incluindo fortemente o industrial.

Superfícies superhidrofóbicas bioinspiradas têm um ângulo de contato de gota de água estático e dependem de uma combinação de materiais de baixa energia de superfície e designs de textura da superfície para alcançar certas propriedades. 

Tais superfícies possuem uma ampla gama de aplicações possíveis. Por exemplo, materiais superhidrofóbicos (incluindo revestimentos, tecidos e componentes a granel) com boa resistência à abrasão, resistência química e resistência ao impacto (por exemplo, impactos por partículas sólidas e/ou gotas/jatos de água) foram estudados anteriormente. Um dos principais desafios é a fragilidade mecânica das asperezas, que fazem parte da textura da superfície, e a resistência ao empalamento por meniscos líquidos dinâmicos (por exemplo, aqueles que aparecem durante o impacto de líquidos nas superfícies).

Os autores apresentaram uma nova abordagem para preparar nanocompósitos superhidrofóbicos porosos e volumosos com uma estrutura nanoporosa na superfície, conectada a poros em microescala no interior. Foram usadas esponjas de poliuretano (PU) como moldes para impregnação controlada de partículas de  politetrafluoretileno reforçado com nanotubos de carbono. Essa mistura foi dispersa em etanol para impregnar a esponja de PU seguida de sinterização.

É importante ressaltar que os autores formaram uma camada excessiva de mistura da mistura no modelo de esponja para obter nanoporosidade superficial. Após impregnação e secagem, a esponja de PU foi removida por degradação térmica. Os nanocompósitos e nanoporosos resultantes apresentavam canais em nanoescala na superfície e microporosidade no volume (com variações associadas na rigidez mecânica).

Figura 1: Etapas de fabricação dos nanocompósitos superhidrofóbicos porosos, com uma estrutura hierárquica apresentando poros finos na superfície conectados a microcanais/poros no interior. Fonte: (Wu et al. 2023).

A resistência ao impacto dinâmico e ao empalamento por gotas e jatos de água é essencial para superfícies superhidrofóbicas para atender a uma variedade de aplicações. Por exemplo, durante tempestades ou furacões, os componentes da infraestrutura devem resistir ao impacto de quedas d'água em alta velocidade.

Os canais em nanoescala na superfície, bem como a estrutura porosa dentro do nanocompósito, permitiram que eles resistissem a jatos de água com velocidades de até 85,4m/s (ou seja, bem dentro dos limites de velocidade de furacão de categoria 5).

Em aplicações como condensadores de vapor ou gerenciamento térmico, o material experimenta altas temperaturas. No entanto, agentes de acoplamento de silano ou alguns polímeros normalmente usados na fabricação de superfícies superhidrofóbicas são suscetíveis a se degradarem termicamente.

Com seus ingredientes racionalmente selecionados, os nanocompósitos desenvolvidos também podem manter a superhidrofobicidade após serem aquecidos a 400ºC, imersos em água fervente por 180 minutos ou expostos a uma chama de álcool. A colisão de partículas é inevitável em aplicações da vida real, como infraestrutura externa ou sistemas de transporte. O impacto de partículas pode alterar a topografia da superfície e, muitas vezes, a química da superfície.

Além disso, os nanocompósitos, com uma microestrutura hierarquicamente porosa e reforçada com nanotubos de carbono, apresentaram excelente resistência à abrasão mecânica de longa distância, imersão de longo prazo em meios altamente corrosivos, como água régia e solução de hidróxido de sódio, ou exposição a UV.

Os autores afirmam também que as superfícies eram gelofóbicas (onde não há adesão ao gelo) e sua gelofobicidade poderia ser aumentada impregnando-as com uma mistura de polidimetilsiloxano e óleo de silicone. Em resumo, os autores introduziram uma nova abordagem de modelo para a fabricação de nanocompósitos superhidrofóbicos com robustez mecanoquímica adequada para uma diversidade de condições extremas. 

Esses nanocompósitos podem servir aplicações em campos industriais severos ou sob condições climáticas adversas, que até agora se mostraram indescritíveis para materiais superhidrofóbicos. O que os tornam materiais interessantes para aplicações em áreas de condições extremas e apresentam propriedades que possam garantir a resistência de estruturas em adversidades. 

A queratina é um polímero biológico que compreende a maior parte dos apêndices epidérmicos de mamíferos, aves e répteis, incluindo unhas, cabelos, a camada externa da pele, penas, bicos, chifres, cascos, barbatanas de baleia, garras, escamas, lodo de peixe-bruxa e lagartixa almofadas. 

Além disso, a queratina possui propriedades intrínsecas desejáveis (biocompatibilidade, resposta à hidratação, rigidez, força e outros atributos). Como um material prontamente disponível e renovável, tem sido utilizado como matéria-prima em compósitos reforçados com fibras. 

Os materiais à base de queratina são frequentemente utilizados na natureza como componentes estruturais de suporte de carga que fornecem proteção e resistem a altas forças de impacto. Os sistemas queratinosos apresentam um desempenho admirável sob tais demandas mecânicas diversas, mesmo em comparação com alguns dos materiais de engenharia mais avançados.

Em resumo, pesquisas sobre o tecido queratinoso mecânico se concentram em várias características: túbulos (como encontrados no casco, chifre e barbatanas), estruturas lamelares (encontradas em todos os materiais queratinosos) e geometria em macroescala (como curvatura de cascos ou formato do chifre). 

Quando materiais compósitos incorporam túbulos ou lamelas, eles encontram uma resistência à fratura melhorada devido a interações de rachaduras nas interfaces dessas estruturas. Da mesma forma, as geometrias em escala macro são vias de inspiração práticas, mas amplamente inexploradas, para funções específicas, como impulsores ou pára-choques.

Quanto ao isolamento térmico, os sistemas queratinosos podem ser considerados um dos melhores isolantes da natureza em virtude de suas estruturas elaboradas que retêm o ar. Muitas fibras sintéticas produzidas são mais resistentes à transferência de calor, porém, com o sistema de aprisionamento do ar, os sistemas queratinosos naturais ainda são alguns dos isolantes térmicos mais excelentes. 

Como resultado, os pesquisadores tentaram recriar as configurações desses isoladores naturais em materiais de engenharia para aproveitar suas capacidades térmicas desejáveis. No que se refere a estruturas leves, o artigo traz que em aplicações de engenharia, as estruturas sanduíche são usadas por sua capacidade ultraleve de absorção de energia e resistência mecânica comparável em relação aos materiais a granel. 

As estruturas do tipo sanduíche podem ser adaptadas controlando as propriedades da face, do núcleo e sua geometria. Não se limitam apenas aos materiais de engenharia e são encontradas em abundância em sistemas baseados em queratina, incluindo bicos, penas, espinhos, barbatanas e espinhos. 

Além das excelentes propriedades mecânicas, leves e térmicas das penas das aves, esses materiais queratinosos também são conhecidos por exibir uma ampla diversidade de cores. Essa propriedade se deve em parte à coloração estrutural, que surge das interações da luz com uma matriz submicrônica de morfologias variadas que incluem estruturas multicamadas (como visto na mancha iridescente da garganta do beija-flor) ou cristais fotônicos bidimensionais (como visto em penas de pavão e pato selvagem).

A presença de pigmentos contribui para a coloração mais vibrante devido aos seus altos índices de refração e ampla absorção abrangendo a faixa UV-visível. A cor estrutural nas penas das aves pode ocorrer como iridescente ou não iridescente e é fortemente dependente da estrutura e organização. Normalmente, a ordem de longo alcance é responsável por produzir iridescência, enquanto a ordem de curto alcance não é iridescente. Assim, a cor estrutural nas penas das aves é altamente ajustável e, portanto, um candidato desejável para a bioinspiração, segundo os autores.

Até agora, foi visto como as estruturas queratinosas fornecem propriedades benéficas que podem ser usadas para inspirar projetos de engenharia. No entanto, a própria queratina tem sido frequentemente utilizada como material para várias aplicações devido às suas propriedades intrínsecas diferenciais. 

Recentemente, houve um aumento significativo no número de estudos biomédicos relacionados ao uso de biomateriais à base de queratina. Essa variedade de aplicações inclui biomedicina, bioeletrônica, formulações de biolubrificantes e fabricação de estruturas ósseas. A queratina é amplamente utilizada em aplicações biomédicas devido à sua biocompatibilidade, boa interação celular e biodegradabilidade. Os designs bioinspirados apresentados pelo artigo não são apenas usados para entender o sucesso dos materiais biológicos, mas também servem como uma plataforma para pesquisadores ampliarem as ideias de design natural além das limitações da natureza, estabelecendo as bases para a próxima geração de materiais funcionais. 

O artigo aborda muito mais aspectos e linhas de pesquisa, sendo uma leitura produtiva e recomendada para quem se interessar nesse universo de bioinspiração na engenharia. Sendo assim, concluímos que com tantas utilidades diferentes, entender e replicar estruturas semelhantes à queratina tem o potencial de tocar todos os cantos da sociedade, fortalecendo ainda mais a importância direta da engenharia de materiais.

No futuro, espera-se que os robôs atuem como ajudantes versáteis, ou seja, os papéis dos robôs serão amplamente expandidos em todos os lugares, de fábricas a residências, da terra ao espaço, do meio civil ao militar e do mecanizado ao engenhoso. Essas mudanças exigem versatilidade e adaptabilidade para uma gama mais ampla de ocasiões. 

Na natureza, por exemplo, os animais podem atender a essa exigência, pelo fato de seus corpos serem compostos de materiais macios (como os músculos). Inspirados por isso, os robôs macios foram estudados e desenvolvidos nos últimos anos e são considerados candidatos promissores para fornecer versatilidade adicional aos robôs.

Os materiais inteligentes geralmente apresentam uma variedade de funções, como características de resposta, detecção, feedback, autodiagnóstico, autocorreção e auto-adaptação. 

O metal líquido oferece várias vantagens, incluindo baixo ponto de fusão, baixa viscosidade, alta condutividade elétrica e condutividade térmica. Isso sugere que o módulo de Young de um componente funcional baseado em um metal líquido cobre uma ampla faixa nesse módulo. 

Além disso, os metais líquidos com a capacidade desejável de alternar entre várias morfologias podem exibir uma riqueza de comportamentos de resposta inteligentes a estímulos externos. 

Devido à sua alta condutividade elétrica, condutividade térmica, baixos pontos de transição de fase, tensão superficial e interfaces ativas, os metais líquidos não apenas respondem a múltiplos campos externos (como campos elétricos e magnéticos, luz e calor), mas também demonstram características inteligentes. 

Com isso, os metais líquidos surgem como uma nova classe de materiais inteligentes. Ao utilizar as vantagens de metais líquidos e outros materiais sinérgicos, uma série de propriedades inteligentes de compósitos de metal líquido foram descobertas, apontam os autores. 

Consequentemente, espera-se que materiais inteligentes de metal líquido resolvam o compromisso entre suavidade e precisão exigidas, abrindo novas possibilidades para a robótica “macia”.

À medida que a complexidade dos sistemas aumenta, espera-se que propriedades inteligentes imprevisíveis apareçam também e a construção efetiva de um sistema compósito de metal líquido pode se tornar um desafio. 

Assim, estudos devem ser realizados para a construção de sistemas compósitos de metal líquido capazes de trabalhar em conjunto com outros materiais. Os autores apontam que além de soluções, partículas e polímeros, explorar as interações de outras substâncias sinérgicas com metais líquidos para a construção de sistemas compósitos é uma estratégia promissora.

Os autores apontam também que o desempenho dos robôs precisa ser aprimorado para aplicações práticas, por exemplo, não apenas para a velocidade e força, mas também para sua deformabilidade.

Os robôs líquidos são diferentes dos robôs tradicionais e a implementação deles será um desafio. Por exemplo, a modelagem 3D de robôs líquidos ainda está repleta de dificuldades devido à falta de estruturas de suporte, pois os robôs geralmente precisam formar formas específicas ao realizar tarefas. 

Em conclusão, os robôs macios de metal líquido estão evoluindo da fantasia para a realidade. O desenvolvimento de materiais inteligentes de metal líquido é um passo fundamental para alcançar esse objetivo (e tem recebido grande atenção nos últimos anos).

Os osteossarcomas são tumores (ósseos) sólidos altamente malignos, acometendo geralmente crianças e adolescentes. Metotrexato, doxorrubicina e cisplatina têm sido usados como protocolo de tratamento padrão e esse regime medicamentoso melhorou significativamente o prognóstico dos indivíduos afetados.

No entanto, para os pacientes que não respondem ao tratamento, as opções são poucas. Estudos demonstraram que aproximadamente 40% dos pacientes com osteossarcoma apresentam uma resposta ruim ao protocolo quimioterápico atual e intensificar o regime de tratamento adicionando mais medicamentos não melhora o resultado, mas aumenta a toxicidade.

A hidroxiapatita (HA) é o principal constituinte dos dentes e ossos, de fórmula química Ca10(PO4)6(OH)2, que tem sido extensivamente estudada para diversas aplicações clínicas. Além disso, pode ser sintetizada e moída em partículas em tamanho micro e nano.

As nanopartículas em um volume definido têm a vantagem de ter uma área superficial relativamente maior em comparação com as micropartículas, o que melhora drasticamente as características de carregamento de um agente e, consequentemente, um aumento na capacidade de liberação do fármaco. O foco de pesquisas recentes têm sido ativar biologicamente a HA no tecido alvo para aumentar a eficácia da droga, especialmente no câncer ósseo.

Além disso, estudos mostram efeitos antitumorais da nHA na viabilidade metabólica de vários tipos de células cancerígenas in vitro. No entanto, o efeito antitumoral da nHA puro se mostrou insuficiente para erradicar um tumor estabelecido e, portanto, outros métodos precisam ser explorados para aumentar sua citotoxicidade. 

Com base na estrutura físico-química da HA, o artigo levanta a hipótese de que citostáticos, como DOX, podem ser somados na superfície das partículas de HA, permitindo a administração local controlada de uma droga antitumoral com menos efeitos colaterais.

O estudo realizado foi composto por 3 partes principais: 1) Validação da ligação DOX-HA (doxorrubicina - hidroxiapatita); 2) Liberação lisossômica dependente do pH intracelular e entrega de DOX direcionada às mitocôndrias por nHA e 3) A eficácia das partículas de HA entregando DOX localmente em um xenoenxerto (transplantes de tecidos) de osteossarcoma.

Substitutos ósseos sintéticos baseados em HA têm sido usados durante as últimas décadas para substituir os ossos danificados em traumas ou acidentes. A aplicação de partículas puras de HA na inibição de tumores, particularmente nanopartículas, é um campo de pesquisa que ganhou atenção significativa recentemente. 

Neste estudo, os autores apresentaram que a DOX pode se ligar a HA in vitro e in vivo por meio de uma interação eletrostática, independentemente do tamanho das partículas de HA.

Os autores mostraram que a DOX, uma droga fundamental para o osteossarcoma, mostra agregação de HA particulada de tamanho nano e micro. A DOX administrada sistemicamente procura e liga as partículas de HA com mais afinidade a nHA quando em comparação com o mHA. 

Interações celulares in vitro com nHA funcionalizada com DOX indicam que o composto nHA + DOX leva à entrega intracelular de DOX, mirando na mitocôndria, levando à redução da migração celular e aumento da apoptose - “morte celular programada”.

O composto mHA + DOX pode liberar DOX extracelularmente por um longo período de tempo e, combinando as partículas de nHA e mHA, a biocompatibilidade das partículas de HA pode ser aumentada. 

Ao aplicar o sistema transportador nHA/mHA entregando DOX para o tratamento de um osteossarcoma localizado em um modelo de camundongo, foi mostrada uma redução significativa no crescimento do tumor com o uso de nano/micro HA + DOX. 

Os autores citam que nenhuma nova modalidade de tratamento para tumores ósseos sólidos evoluiu nas últimas três décadas - fundamentando a importância da pesquisa realizada.

A abordagem apresentada pelos autores abre novos caminhos para o tratamento complementar de tumores sólidos localizados. A pesquisa se apresenta como um tratamento completamente novo que utiliza partículas (nano e micro) de hidroxiapatita previamente implantadas localmente, agindo como um cavalo de Tróia em um tumor sólido.

Figura 1: Imagens de tomografia computadorizada representativas de cada grupo de teste (controle, apenas DOX, e os compostos desenvolvidos) com linha branca tracejada indicando a captação intratumoral. Fonte: (Liu et al. 2022).

Os nanomateriais estão atualmente no centro das atenções no campo da regeneração óssea e da engenharia de tecidos em geral. Devido ao seu tamanho em nanoescala, as nanopartículas apresentam maior disponibilidade em sistemas biológicos. O progresso enorme no campo da nanotecnologia de biomateriais contribui para a solução de demandas crescentes no número de enxertos e implantes ósseos funcionais.

Com o envelhecimento cada vez maior da população, a necessidade de vários implantes e scaffolds biomédicos está se tornando um um parâmetro econômico significativo para o sistema de saúde. As substituições de tecidos convencionais (como autoenxertos e aloenxertos), embora existam métodos revolucionários, encontram muitos problemas. 

Considerando que as células interagem com tecidos de tamanho nanométrico e formam uma matriz nanoestruturada, os nanomateriais desempenham um papel fundamental na estimulação da migração e proliferação celular, o que é muito importante para a regeneração do tecido ósseo em particular. 

A nanotecnologia tem recebido grande atenção na engenharia de tecidos e está conectada a muitas disciplinas, como física, química, engenharia, ciências da vida e medicina, representando uma combinação real de diferentes campos. 

Os nanomateriais são atualmente definidos como materiais com unidades estruturais básicas menores que 100 nm em pelo menos uma dimensão e exibem propriedades únicas diferentes de suas contrapartes mais volumosas que os tornaram altamente eficazes em inúmeras aplicações biomédicas.

Figura 1: Escala métrica em nanômetros, na qual a nanoescala (1–100 nm) é comparada entre o macro e o micro. Fonte: (Babuska et al. 2022).

Uma variedade de materiais pode ser usada para preparar nanopartículas, como metais, cerâmicas, polímeros e materiais orgânicos. Scaffolds com nanopartículas podem ser produzidos em nanotubos/nanofibras, que podem simular com ainda mais precisão as dimensões de estruturas naturais do corpo humano, como as fibras de colágeno.

Os materiais nanocristalinos são caracterizados por seus tamanhos de grão extremamente pequenos, o que dá origem a propriedades físicas, químicas e mecânicas únicas em comparação com os materiais correspondentes com tamanhos de grão convencionais. A redução do tamanho do grão de um material fornece propriedades vantajosas, como maior tenacidade e resistência.

Neste caso podemos citar o titânio, um material muito usado para implantes dentários e ortopédicos. Devido às excelentes propriedades, como alta resistência à tração, durabilidade, alta resistência à corrosão, resistência a fluidos corporais e alta biocompatibilidade, o titânio e suas ligas permanecem entre os materiais mais atraentes neste campo.

Estudos mostraram que o titânio em um estado nanoestruturado aponta não apenas pela melhoria de suas características físicas e mecânicas, mas também pela melhoria da resposta celular à interface entre o material e o meio biológico. As nanoestruturas de titânio fornecem uma grande área de superfície e características antibacterianas aprimoradas, osseointegração e interação de proteínas, todas benéficas para implantes médicos.

Agora, vamos falar de nanopartículas. As nanopartículas utilizadas em aplicações médicas costumam ter um tamanho médio de até 200 nm. Devido ao seu pequeno tamanho, formas diferentes e grande área de superfície, elas apresentam maior estabilidade coloidal e, portanto, maior biodisponibilidade. Vejamos a seguir alguns exemplos de nanopartículas que o artigo apresenta e suas vantagens de aplicação na área biomédica.

Nanopartículas de ouro: são as mais interessantes dentre as nanopartículas de metais nobres. As propriedades únicas dessas nanopartículas como boa biocompatibilidade, fácil síntese e funcionalização de superfície, os tornam nanomateriais promissores em aplicações biomédicas, como administração de medicamentos, imagens biológicas, diagnóstico e tratamento de doenças.

Nanopartículas de prata: devido às suas propriedades antibacterianas, a prata e seus compostos têm sido usados para diversos fins médicos há mais de mil anos (mesmo que sem o conhecimento atual). A importância da prata está crescendo, especialmente em um momento em que o aumento da resistência bacteriana é um grande problema global. Hoje, a prata é usada não apenas como agente anti-séptico, mas também por suas propriedades anticancerígenas ou como adjuvante de vacina, agente antidiabético e biossensores.

Nanopartículas de platina: as mais utilizadas são de tamanhos na faixa de 10 a 50 nm. Elas apresentam excelentes propriedades, como biocompatibilidade, biodegradabilidade, osteocondutividade e alta estabilidade. Elas são usadas na detecção de células cancerígenas, redução do estresse oxidativo celular e tratamento da doença de Parkinson. Além de apresentar efeitos bacterio-tóxicos e efeitos citotóxicos nas células cancerígenas.

Nanopartículas de tântalo: o tântalo é um metal com altíssima resistência à corrosão e excelente biocompatibilidade, o que o torna um material promissor para implantes ortopédicos e dentários. O tântalo pode ser fabricado como um material poroso com muitas vantagens, apresentando ótimas propriedades mecânicas e mostra excelente aderência celular e crescimento ósseo interno, resultando em melhor fixação do implante.

Nanopartículas de óxido de ferro: são usadas como agentes de contraste, para terapias de reposição de ferro e para terapias tumorais usando hipertermia tecidual local. As propriedades magnéticas dessas partículas podem ser usadas para a entrega ideal do medicamento no local necessário, o que minimiza os efeitos colaterais e melhora o tratamento de câncer e doenças ósseas.

O artigo cita também nanopartículas de cobre, zinco, magnésio, níquel, óxido de cálcio, óxido de alumínio, nanopartículas de carbono, hidroxiapatita, dentre outros. O que vale muito a leitura do artigo apresentado.

Concluindo, nanomateriais atualmente desempenham um papel importante na pesquisa de engenharia de tecido ósseo. Embora o próprio osso tenha a capacidade de auto-reparação e remodelação, em muitos casos, esses processos não são suficientes, sendo necessária uma intervenção externa. 

Portanto, materiais biocompatíveis para substituir o osso e promover a regeneração dele são necessários, onde os nanomateriais se apresentam muito promissores para esses propósitos. Esses progressos na área de nanomateriais aplicados na engenharia de tecidos (e de regeneração) podem trazer opções inovadoras e revolucionárias de tratamento para a medicina no futuro.