Como prever de forma realista a possibilidade de fratura de um osso? Como obter próteses com propriedades próximas àquelas verificadas nos ossos dos pacientes? Essas e outras questões têm sido estudadas pelos pesquisadores do CCES Amadeus Alcântara e Caio Ramos, que realizam simulações computacionais, partindo da escala molecular até a escala macroscópica, de ossos e dos materiais utilizados na produção de dispositivos ortopédicos. A fim de conhecer as novas metodologias e tendências na modelagem de materiais em múltiplas escalas, os pesquisadores participaram de um curso oferecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) entre os dias 21 e 25 de junho.
Promovido anualmente pelo MIT e ministrado pelo Prof. Markus Buehler, pesquisador reconhecido mundialmente pelos seus trabalhos na área, o curso de projeto de materiais em múltiplas escalas reúne estudantes, pesquisadores, professores e empresários de todo o mundo. Embora normalmente realizado no campus da universidade, este ano, em decorrência da pandemia de COVID-19, o curso foi ministrado em formato virtual. Os pesquisadores receberam uma bolsa do próprio MIT, que cobriu a maior parte dos custos, enquanto o restante foi pago com recursos do CCES e da FAPESP. Ao longo dos 5 dias, foi discutida uma grande variedade de temas como a estrutura do osso, materiais compósitos, o uso de dinâmica molecular e inteligência artificial na simulação de materiais, e o emprego de manufatura aditiva, popularmente conhecida como impressão 3D, na produção de materiais voltados para aplicações específicas.
Em sua pesquisa, Amadeus tenta entender como a osteoporose afeta a fratura óssea, um fenômeno que tem origem na escala molecular. Caio, por sua vez, trabalha na busca por materiais que possam ser utilizados na impressão de próteses que apresentem propriedades próximas daquelas verificadas em ossos humanos, como polímeros reforçados por fibras. Enquanto Amadeus lida com um cenário pré-trauma, tentando prever a ocorrência da fratura, Caio lida com situações em que são necessárias intervenções cirúrgicas, o que pode ser causado por uma fratura, ou por condições clínicas. Ambos são estudantes de doutorado do departamento de mecânica computacional da UNICAMP, sob a supervisão do Prof. Paulo Sollero e do Prof. Munir Skaf. Além de suporte financeiro, o CCES proporciona aos pesquisadores acesso ao cluster Kahuna, o que é essencial para a execução de simulações em múltiplas escalas envolvendo diferentes abordagens como o método dos elementos de contorno e dinâmica molecular, visto que essas requerem um alto poder computacional.
O futuro do projeto de materiais está intimamente ligado com a nossa capacidade de conectar informações provenientes de diferentes escalas. Ainda que não seja viável, dada a nossa tecnologia atual, simular objetos macroscópicos inteiros átomo por átomo, é possível analisar regiões de especial interesse para a compreensão acerca do comportamento do material, como, por exemplo, interfaces entre diferentes materiais, regiões com trincas e defeitos, ou, no caso de materiais biológicos como os tecidos ósseos, estruturas complexas formadas a partir de proteínas e materiais inorgânicos. O curso oferecido pelo MIT é, certamente, uma fonte de inspiração e motivação para ambos os pesquisadores que, com o apoio do CCES, buscam dar os próximos passos em seus trabalhos.
Fibrila de colágeno ósseo (esquerda) e polímero reforçado por fibras (direita).
References
Alcântara, A.C.S.; Assis, I.; Prada, D.; Mehle, K.; Schwan, S.; Costa-Paiva, L.; Skaf, M.S.; Wrobel, L.C.; Sollero, P. Patient-Specific Bone Multiscale Modelling, Fracture Simulation and Risk Analysis—A Survey. Materials 2020, 13, 106. https://doi.org/10.3390/ma13010106
Galvis, A. F.; Prada, D. M.; Moura, L. S.; Zavaglia, C.; Foster, J. M.; Sollero, P.; Wrobel, L. C. BESLE: Boundary element software for 3D linear elasticity. Computer Physics Communications 2021, 265, 108009. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108009
Grezzana, G., Loh, H., Qin, Z., Buehler, M.J., Masic, A. and Libonati, F. (2020), Probing the Role of Bone Lamellar Patterns through Collagen Microarchitecture Mapping, Numerical Modeling, and 3D-Printing. Adv. Eng. Mater., 22: 2000387. https://doi.org/10.1002/adem.202000387