DE SUPERFÍCIES COM CÍLIOS MAGNÉTICOS

Campo de Invenção

[001] A presente invenção se refere a uma composição de cílios magnéticos e o processo para produção de superfícies com cílios magnéticos . Os cílios podem ser utilizados na preparação de biomateriais e implantes com capacidade de controle ou inibição da formação de depósitos e biofilmes, que podem ser limpos por ação magnética externa, na preparação de superfícies resistentes à adsorção ou que podem ser limpas por ação magnética externa, bem como na preparação de materiais com superfícies ativas para movimentação de fluídos e partículas em implantes, tubos ou microdispositivos, como sistemas microfluídicos controlados por ação magnética externa .

Fundamentos da Invenção

[002] O crescimento de biofilmes polimicrobianos e a sua evolução para a formação de incrustações e o consequente entupimento de dispositivos inseridos em ambientes úmidos, como por exemplo em próteses implantadas no corpo humano , é um desafio clínico importante e recorrente que retarda o progresso do tratamento e causa um impacto negativo na qualidade de vida dos pacientes, requerendo a remoção periódica destes implantes .

[003] De maneira geral, as próteses utilizadas na área médica, como por exemplo o tubo T de silicone que é uma prótese de silicone utilizada desde 1965 em indivíduos traqueostomizados, consistem em um tubo de material inerte, que atua como suporte intraluminal temporário da traqueia .

É utilizada em portadores de estenoses benignas, malignas, e outras desordens estruturais do órgão que interfiram com sua perviedade .

[004 ] Estas próteses não possuem qualquer mecanismo adicional que vise mimetizar a função biológica da via aérea em questão, interferindo na efetividade do transporte mucociliar, o qual é responsável pela remoção de material particulado e secreções da via aérea central . Além disso, o contato permanente do tubo T com o ar inalado favorece a formação de um biofilme polimicrobiano na superfície do silicone, abrigando bactérias e fungos que interagem com a mucosa, causando traqueítes e granulomas que findam por retardar a resolução da estenose .

[005] Dessa forma, torna-se imperativa a necessidade de aprimorar a funcionalidade das próteses médicas (tubos T, endopróteses traqueais) e prolongar a sua vida útil através da inserção de um revestimento interno com cílios artificiais de mobilidade programável, mimetizando, por exemplo, a função natural das estruturas biológicas presentes nas vias aéreas dos mamíferos . A presença dos cílios artificiais promove uma superfície antiaderente e atua como um método de controle físico e mecânico para a formação de biofilmes microbianos no interior da prótese .

[006] A fabricação de cílios biocompatíveis, flexíveis e responsivos a um campo magnético no interior dessas próteses resulta em uma superfície antiaderente e que pode ser limpa por estímulos externos, promovendo uma viabilidade operacional prolongada para esses dispositivos .

Além disso, estes cílios podem ser utilizados para movimentação de fluidos e partículas em suspensão no interior de, por exemplo, tubos em implantes biomédicos ou microdispositivos de uso diverso, sob ação controlada de um campo magnético externo .

[007 ] Ainda, a ativação da superfície ciliada através do acoplamento com um pulsador magnético portátil induz um movimento controlado das estruturas, levando a remoção do biofilme eventualmente formado e auxiliando no clareamento de secreções e materiais particulados acumulados no interior da prótese . A incorporação de agentes biocidas à matriz dos cílios, que teriam liberação controlada e estendida in situ, ou o recobrimento com nanopartículas de prata, também são exemplos de recursos adicionais possíveis para auxiliar no controle da microbiota local . Outro campo potencial de aplicação da presente invenção é nos drenos cavitários tubulares, tanto para o direcionamento, quanto para a potencialização da velocidade do fluxo .

[008 ] Diante do exposto, a presente invenção traz uma potencial solução para a prevenção e controle da deposição de microbiota nestes materiais, especialmente em tubos de silicone traqueais, atuando como adj uvante na limpeza de superfícies possibilitando o controle local da formação do biofilme, e auxiliando na mobilização e eventual eliminação de materiais particulados e possíveis impurezas que adentrem nesses dispositivos .

[009] Dentre as metodologias utilizadas para a fabricação de cílios magnéticos elastoméricos, ressalta-se como diferencial da invenção aqui proposta uma maior simplicidade e versatilidade do processo de fabricação dos cílios, devido à ausência da necessidade de um molde durante o preparo . Dessa forma, o custo e o tempo despendido para a etapa de preparo do molde são eliminados . Outra vantagem da ausência de molde é uma maior flexibilidade para a fabricação dos cílios em superfícies com diferentes dimensões e formatos .

[0010] Além do mais, há também a possibilidade de ajuste da dimensão dos cílios formados e a densidade de pilares pela simples alteração das condições de preparo, como por exemplo concentração inicial dos componentes da dispersão, volume utilizado e intensidade do campo magnético . Estes materiais podem ser utilizados para movimentação com controle externo de fluidos e suspensões no interior de, por exemplo, tubos, em implantes, ou microdispositivos de propósitos variados (como em sistemas de microfluídica) .

Estado da Técnica

[0011 ] O documento Grein- lankovski et . al (2020) , intitulado " Template- free preparation of thermoresponsive magnetic cilia compatible with bi ological conditions" descreve sobre a fabricação de cílios artificiais que imitam as funções biológicas e que surgiu como uma estratégia promissora para a manipulação de fluidos em sistemas miniaturizados . Entretanto, diferente da presente invenção, os cílios do referido documento são compostos por materiais diferentes : nanopartículas de óxido de ferro (maghemita) funcionalizadas com o polímero termorresponsivo PNnPAm.

[0012 ] Além disso, o processo de fabricação dos cílios utiliza como força motriz a transição térmica do polímero PNnPAM, de um estado solúvel para um estado agregado induzida pelo aumento da temperatura e não pela reação de polimerização de um elastômero . Ainda, as dimensões dos cílios são menores, em outra ordem de grandeza, sendo de até 100μm de comprimento e menos de 1.0 pm de espessura, tendo uma estrutura temporária de aproximadamente 24 horas . 0 processo de formação é reversível e as estruturas ciliadas precisam ser mantidas em meio líquido, não sendo possível secar .

[0013] O documento US20190217349A1 se refere a topografias de superfícies anti-incrustante com pilares em escala micron de polímero ferromagnético capazes de movimento em resposta a campos magnéticos e o método de fabricação das superfícies . Apesar do referido documento fazer parte do estado geral da técnica, é possível perceber diferenças e limitações, como o fato de ser observado a utilização de partículas de óxido de ferro (magnetita) como material magnético .

[0014 ] Além disso, o preparo e a definição do formato dos cílios são realizados com um molde pré-fabricado . Ainda, as partículas magnéticas são concentradas no topo dos cílios e não distribuídas por toda a estrutura e as dimensões dos cílios formados são menores e fixas, sendo determinadas e limitadas pelo molde .

[0015] O documento W02012058605A1 aborda superfícies proj etadas para reduzir a adesão bacteriana e o método fabricação dessas superfícies . A referida superfície compreende uma pluralidade de estruturas proj etadas, e em cada estrutura proj etada é encontrado uma pluralidade de estruturas semelhantes a filamentos (cílios) , com dimensões de pelo menos 0, 5 microns e não mais do que 50 microns . [0016] No entanto, apesar do referido documento fazer parte do mesmo campo técnico, é possível perceber diferenças relevantes, como o fato das estruturas topográficas propostas incluírem as formas "dome-shaped, post-shaped, shark skin, pri sm- shaped" e exemplos adicionais sugeridos, como poliedros, paralelepípedos, prismatoides, cônico, piramidal, esférico, elipsoide, cilíndrico e combinações entre elas . Não é mencionado sobre cílios, filamentos flexíveis ou estruturas móveis .

[0017 ] Para a fabricação das estruturas sugere-se a utilização de técnicas como "casting" , "coating" e compressão, as quais necessitam de um molde ou ferramenta contendo o padrão estrutural desej ado . Para a fabricação desse molde são necessárias técnicas de microfabricação como ablação (química, mecânica, laser) , fotolitografia, estereolitografia, estriagem, etc .

[0018 ] Além disso, as dimensões das estruturas são menores, de ordem nanométrica até em torno de 100μm de altura . Ainda, não é mencionado a exploração e? utilização de partículas magnéticas de suas propriedades para manipulação e orientação do sistema .

[0019] O documento de patente US10210995B2 protege um método para produzir um filme que compreende microestruturas magnéticas tridimensionais . O filme compreende uma matriz não magnética e uma pluralidade de microestruturas magnéticas tridimensionais dispostas dentro da matriz de acordo com um padrão predeterminado .

[0020] Apesar do referido documento fazer parte do estado geral da técnica, é proposto um método proj etado para a fabricação de filmes contendo estruturas magnéticas tridimensionais para a separação e aprisionamento de materiais magnéticos, sendo este um conceito distinto de superfícies antiaderentes proposto na presente invenção . As estruturas magnéticas são formadas sobre uma base já padronizada, que pode ser considerado um molde, pois necessita de técnicas de microfabricação sendo uma etapa adicional no processo . Dentre as partículas magnéticas utilizadas, não é mencionado a possível utilização de ferro carbonilo (FeC) .

[0021 ] Além disso, as partículas magnéticas são concentradas nas bordas do campo magnético gerado por micromagnetos posicionados nas cavidades da base e não ordenadas linearmente no sentido homogêneo do campo magnético, localizado na região central do ímã . O pó de partículas magnéticas é depositado sobre a base e não dispersas em uma matriz elastomérica .

[0022 ] Com relação ao método de fabricação dos filmes, percebe-se que apenas posteriormente é adicionado um copolímero para formar uma película e atuar como ligante entre as partículas agregadas e o modo de preparo gera estruturas agregadas rígidas, não passíveis de simular o movimento dos cílios biológicos pela atuação de um campo magnético . Ainda, a altura das estruturas é na ordem de 20 pm e a distância de separação entre elas é fixa em 100μm formando uma distribuição quadriculada na base de acordo com as bordas dos micromagnetos .

[0023] O documento CN109876874B protege uma matriz de microcílio magnético super-hidrofóbico para transporte direcional de gotas de líquido e o método de preparação e aplicação dos mesmos . O arranjo de microcílios magnéticos super-hidrofóbicos é caracterizado pelo fato de que a altura de cada microcílio é de 1-3, 5 mm, e a distância entre as pontas de cada dois microcílios adj acentes é de 0, 6-2, 0 mm.

[0024 ] Por meio de uma análise do referido documento, percebe-se que o preparo dos cílios utiliza um molde, necessitando inicialmente de uma etapa adicional para o preparo do molde e mais uma etapa posterior para a dissolução do molde e recuperação dos cílios . Além disso, as partículas magnéticas utilizadas são de cobalto e as dimensões dos cílios são maiores, na ordem de milímetros :

1-3.5 mm de comprimento e 0. 6 2 . 0 mm de largura e a densidade de cílios na superfície é menor .

[0025] E por fim, o documento Valle et . al (2015) , intitulado "Evaluation of surface mi cr o t opography engineered by direct laser interference for bacterial anti- biofouling" também faz parte do estado geral da técnica, e discorre sobre a modificação da topografia da superfície do biomaterial como uma estratégia promissora para prevenir a adesão bacteriana e a formação de biofilme . Foi usado no artigo o padrão de interferência direta do laser (DLIP) para modificar a topografia da superfície do poliestireno em escala submicrométrica .

[0026] Por meio de uma análise do referido documento percebe-se que as superfícies testadas foram poliestireno, poliimida e polietileno tereftalato e a fabricação da topografia é feita utilizando um laser pulsado de alta potência pela técnica DLIP . Não foi verificada a aplicabilidade do método em silicone, material comumente utilizado na fabricação de próteses . O comportamento de adesão bacteriana se mostrou dependente do padrão de topografia aplicado na superfície e o padrão resultante pelo processo, por sua vez, pode variar de acordo com o material usado .

[0027 ] Diante do exposto, não é verificado no estado da técnica e nos documentos relacionados métodos que possibilitam a secagem dos cílios facilitando a processabilidade, a obtenção de cílios mais robustos, resistentes mecanicamente e com dimensões maiores, a possibilidade de ajuste das dimensões e características dos cílios pela simples variação da concentração dos componentes e intensidade do campo magnético aplicado . Bem como de processos que apresentam menor custo, maior facilidade e versatilidade de produção, agregado pela não necessidade da etapa de fabricação do molde .

[0028 ] Os cílios da presente invenção podem atuar na redução da formação de biofilmes microbianos por pelo menos três mecanismos combinados : a promoção da mobilização de material particulado aderido à superfície do silicone; a redução do acúmulo de material particulado no biofilme devido à irregularidade e rugosidade da superfície pela presença dos cílios; e o deslocamento com fragmentação e eventual remoção do biofilme através da movimentação da sua estrutura pela atuação de um campo magnético externo em associação ao mecanismo de tosse . Além disso, ainda é possível a incorporação de um biocida à matriz dos cílios para atuar como um mecanismo adicional de inibição bacteriana .

[0029] Os cílios magnéticos interagem com o muco respiratório, um filme de secreção que cobre quase a totalidade das vias aéreas de condução . O muco respiratório é uma mistura complexa de diferentes secreções que formam um polímero hidrofílico com propriedades viscoelásticas . No trato respiratório sua motilidade é induzida por células ciliadas presentes na superfície epitelial .

Breve descrição da invenção

[0030] A presente invenção se refere a uma composição de cílios magnéticos formados pelo alinhamento de partículas magnéticas imersas em uma matriz elastomérica

(mistura) proj etados a partir de uma superfície e o processo de produção dos cílios magnéticos . Os cílios formados são flexíveis e respondem prontamente a um campo magnético externo, podendo ser manipulados gerando um movimento controlado e ordenado de acordo com a orientação e frequência de oscilação da fonte magnética . A ativação da superfície ciliada através do acoplamento com um pulsador magnético portátil induz um movimento controlado das estruturas, levando a remoção do bio filme eventualmente formado e auxiliando no clareamento de secreções e materiais particulados acumulados no interior de uma prótese .

Breve descrição das figuras

[0031 ] Na Figura 1 é apresentado o preparo dos cílios magnéticos mostrando a cuba contendo a amostra sobre o ímã

(A) e a amostra final obtida após a secagem e remoção da cuba (B e C) .

[0032 ] Na Figura 2 são apresentadas amostras obtidas utilizando diferentes parâmetros de preparo ilustrando algumas das diversas possibilidades de variação das dimensões dos cílios magnéticos . Da esquerda para a direita são observados cílios com comprimentos variando de 159 ± 55 μm a 722 ± 145 μm, larguras entre 20 e 50μm e densidades entre 8 a 21 cílios/mm ² .

[0033] Na Figura 3 são apresentadas asmicroscopias eletrônicas de varreduras (MEV) dos cílios magnéticos mostrando os detalhes da morfologia dos cílios magnéticos obtidos e da distribuição das partículas magnéticas dentro da matriz polimérica .

[0034 ] Na Figura 4 são apresentadas placas ciliadas na presença de muco fresco (Rana Catesbeiana) , com a visão lateral com cílios em movimento (A e B) , e a visão superior mostrando a interação e preservação estrutural dos cílios

(C) .

[0035] Na Figura 5 é apresentado o fluxograma do processo de produção dos cílios .

Descrição detalhada da invenção

[0036] A presente invenção se refere a uma composição de cílios magnéticos formados pelo alinhamento de partículas magnéticas imersas em uma matriz elastomérica

(mistura) proj etados a partir de uma superfície e o processo de fabricação dos cílios magnéticos . Os cílios formados são flexíveis e respondem prontamente a um campo magnético externo, podendo ser manipulados gerando um movimento controlado e ordenado de acordo com a orientação e frequência de oscilação da fonte magnética, conforme mostrado na Figura 1 .

[0037 ] Para a fabricação dos cílios magnéticos são necessários os seguintes componentes : partículas magnéticas, um imã com força magnética suficiente para promover o alinhamento das respectivas partículas, uma solução polimérica de um elastômero para atuar como a matriz de sustentação das estruturas ciliadas e uma superfície como base . Um exemplo de conjunto de materiais de partida é a utilização de partículas magnéticas de ferro carbonilo recobertas com SÍO2 com diâmetro médio d ₅₀ = 3, 0 - 4, 0μm e um ímã NdFeB (grade N35) na forma de disco com 30 mm de diâmetro e 10 mm de altura resultando em um campo magnético de 3355 Gauss na superfície .

[0038 ] Como matriz elastomérica, pode ser usado um polímero de silicone PDMS, composto por uma base elastomérica (parte A) e um agente de cura (parte B) numa proporção 1 : 1, solubilizados em solvente THE

( Tetraidrof urano ) ou acetato de etila . Como superfície base, pode ser utilizado um disco de silicone com 8 mm de diâmetro e 1 mm de espessura .

[0039] Na Figura 3 são apresentadas imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos cílios magnéticos mostrando os detalhes da morfologia dos cílios magnéticos obtidos e da distribuição das partículas magnéticas dentro da matriz polimérica, mostrando que as partículas magnéticas são distribuídas de forma homogênea ao longo da estrutura dos cílios .

[0040] O processo de preparo dos cílios está representando na Figura 5 e se inicia com a solubilização do polímero PDMS no solvente escolhido (parte A e parte B separadamente) , misturados na proporção adequada e seguido da adição das partículas magnéticas (etapa a) . Essa dispersão é homogeneizada por sonicação em um banho de ultrassom por 1 a 5 minutos (etapa b) e prontamente vertida sobre a superfície a ser utilizada como base (etapa c) , posicionada no interior de uma cuba de teflon. O sistema é imediatamente posicionado centralizado sobre o ímã (etapa d) .

[0041 ] 0 campo magnético gerado pelo ímã induz o alinhamento das partículas magnéticas perpendicularmente à base formando pilares a partir da superfície . Com a evaporação do solvente as partículas são envoltas pela matriz polimérica que é em seguida polimerizada nas condições adequadas de temperatura e tempo, por exemplo, a

65 ° C por 24h a 48h no caso do silicone PDMS, dependendo da proporção polimérica utilizada . Logo após a cura do polímero

(etapa e) , ocorre a remoção da cuba (etapa f ) e a superfície ciliada está formada e pronta para o uso (etapa g) .

[0042 ] Vale ressaltar que diferentes materiais em diferentes dimensões podem ser utilizados como superfície base, por exemplo silicone, vidro, superfícies metálicas, superfícies poliméricas, entre outras . O tamanho e/ou composição das partículas magnéticas também podem ser variadas, por exemplo partículas de ferro carbonilo com diâmetros de 5, 5μm , partículas de óxido de ferro ou ferro metálico . Diferentes solventes também podem ser utilizados como THF, acetato de etila ou de acordo com a compatibilidade química com o polímero empregado .

[0043] As dimensões (comprimento e espessura) dos cílios obtidos podem ser ajustadas variando-se a massa de partículas magnéticas utilizada, o volume da dispersão, alterando-se a intensidade do campo magnético pela alteração da distância da amostra ao ímã ou substituição do magneto por outro de maior ou menor força magnética, como pode ser visto na Figura 2 . [0044] Após o processo de cura, o comprimento dos cílios também pode ser ajustado através de desbaste físico com uma lâmina de corte. Ademais, a razão partícula: PDMS e a razão entre a base polimérica de PDMS e o seu agente de cura na mistura também podem ser variadas (1:1 ou 1:2, por exemplo) para modular a rigidez das estruturas.

[0045] A Tabela 1 apresenta um exemplo dos diferentes valores de dimensões dos cílios obtidos variando-se a concentração de partículas magnéticas na dispersão inicial e mantendo-se a razão partícula: PDMS constante (0,1) , o volume constante (80 μL) e a base de silicone (8mm x 1 mm) posicionada sobre o ímã a uma distância de 1,1 cm.

Tabela 1 - Dimensões dos cílios formados variando-se a massa de partículas magnéticas CIP-EW e mantendo-se a razão partícula: PDMS (0,1), o volume (80 μL) e a distância ao ímã

(1,1 cm) constantes.

[0046] Na Tabela 2 estão apresentados os resultados obtidos aumentando-se a distância da base ao ímã e mantendo- se os demais parâmetros constantes: massa de partícula = 0,6 mg, razão partícula: PDMS = 0,1, volume = 80 μL.

Tabela 2 Dimensões dos cílios formados variando-se a distância da base ao ímã e mantendo-se a massa de partículas

CIP-EW (0, 6 mg) , razão partícula: PDMS (0,1) e o volume (80 μL) constantes

[0047 ] Na Tabela 3 estão apresentados outros exemplos de combinações testadas juntamente com os respectivos resultados obtidos .

Tabela 3 Dimensões dos cílios formados utilizando diferentes combinações dos parâmetros massa de partículas

CIP-EW, massa de PDMS, distância ao ímã e mantendo-se o volume da dispersão constante em 80 μL

[0048 ] Em resumo demonstrou-se que é possível aumentar o comprimento dos cílios magnéticos aumentando-se a quantidade de partículas na dispersão inicial ou aumentando-se a intensidade do campo magnético aplicado, por exemplo, posicionando a amostra mais próximo à superfície do ímã . Além disso, para uma mesma concentração de partículas, quanto mais próximo a amostra estiver da superfície do ímã durante o preparo, maior é a densidade de cílios por área obtida e menor a espessura dos cílios . Dentre as combinações já testadas, foi possível obter cílios magnéticos com comprimentos em torno de 150 a 1600μm , diâmetros de 6 a 50 pm e com densidades de 8 a 110 cílios/mm ² .

[0049] Foram realizados testes para avaliação qualitativa da interação cílio e muco considerando diferentes características de comprimento ciliar, largura ciliar e densidade . Os testes foram realizados utilizando muco fresco de rã (.Rana Catesbeiana) em ambiente nebulizado

(umidade relativa do ar 90 a 95%) e temperatura ambiente . O movimento ciliar foi determinado através da movimentação manual do magneto .

[0050] Após a deposição de muco sobre os cílios, o batimento ciliar foi evidenciado em todas as amostras analisadas com preservação da estrutura cilia, conforme mostrado na Figura 4. Os cílios permaneceram bem estruturados, sem deformação importante e produziram movimento quando estimulados pelo campo magnético .