Reômetro: Como a física dos materiais influencia o futuro da Medicina Regenerativa?

Por Mateus Veiga

Nesse artigo você vai entender o que significa e como surgiu a reologia, o que é um reômetro e as diversas aplicações dessa técnica também na área da saúde.

Introdução à Reologia

Reômetros são equipamentos que analisam propriedades físicas dos materiais, se baseando no ramo de pesquisa da reologia para analisar o fluxo e deformação de materiais na correlação força x tempo.

Esse equipamento é utilizado em uma vasta gama de produtos e indústrias:

- Na construção civil, com diversas aplicações para caracterização de materiais como minérios, asfalto, borrachas, colas, cerâmicas, produtos petroquímicos, pasta de cimento, argamassas e uma diversidade de polímeros

- Para garantir estruturação ideal de revestimentos e tintas, principalmente no que diz respeito a seu comportamento de espalhamento

- Na indústria farmacêutica, na elaboração de cosméticos como cremes, loções, pomadas, pastas de dentes e alguns produtos farmacêuticos, avaliando sua fluidez, estabilidade e potencial de espalhamento

- Na indústria alimentícia, para a formulação de consumíveis como ketchup, mel, iogurtes, óleos, queijos e gelatinas, garantindo sua textura e/ou transição de fases ideais

Para cada um desses produtos, existem propriedades ideais a serem atingidas para garantir a qualidade, duração e aplicabilidade deles. Alguns estudos, inclusive, foram desenvolvidos para explicar essas propriedades, como a tendência de divisão do recheio entre duas metades de um biscoito recheado, como explicado em uma postagem do perfil Nunca vi 1 cientista.

Louco, né?

Mas para além desse controle de qualidade e entendimento das propriedades de produtos, qual seria a aplicação dessa tecnologia na área biológica?

Hemorreologia

A aplicação da reologia para sistemas biológicos se deu início a mais de 70 anos, quando em 1948, no 1º Congresso Internacional de Reologia, foi introduzido o termo de biorreologia, um ramo da reologia direcionado ao estudo em sistemas biológicos vivos, das matérias provenientes deles e das que são utilizadas por eles.

Após 3 anos, no 25º aniversário do Instituto Americano de Física da American Society of Rheology, foi apresentado pela primeira vez uma das principais áreas da biorreologia: a hemorreologia. Destinada a investigar as propriedades do sangue e seus elementos, a hemorreologia levaria em consideração o fluxo sanguíneo, interações das paredes vasculares e a composição do plasma e suas células.

Desde então, a hemorreologia vem sendo empregada para desvendar a complexidade do funcionamento do sangue e seus componentes tanto no estado de homeostase quanto em processos patológicos que interferem na funcionalidade normal do sistema circulatório.

Um exemplo da importância da hemorreologia é sua utilização no estudo de patologias que afetam a reologia do sangue, como a Síndrome de Hiperviscosidade (SH) − caracterizada por um aumento da viscosidade do sangue em até sete vezes − e outras doenças cardiovasculares.

Com o avanço da tecnologia, métodos inovadores envolvendo análises computacionais (in situ) do fluxo sanguíneo e os efeitos isolados de fatores biofísicos no seu funcionamento têm sido investigados, associando-se ao sucesso de uma variedade de diagnósticos, tratamentos e mecanismos de liberação de fármacos.

Embora essas análises reológicas in situ sejam altamente complexas, é muito difícil de separar o efeito de cada propriedade reológica na viscosidade do sangue. Assim, ainda é fundamental realizar a medição direta da viscosidade do sangue, por meio de reômetros, em vez de estimar valores a partir de equações-modelo.

Recentemente, foi registrado um método de medição de viscosidade total do sangue usando reômetro com placas paralelas que se mostrou com elevada precisão e reprodutibilidade. Os resultados mostraram, a partir desse modelo, os diversos componentes do sangue que possuem efeito sobre a viscosidade total. Assim, a combinação de propriedades reológicas e composição sanguínea serviria potencialmente como modelo de diagnóstico para doenças cerebro- e cardiovasculares em estágios iniciais.

Modelos de reômetros rotacionais controlados por estresse, analisando o cisalhamento oscilatório de grande amplitude, também foram descritos, relatando um potencial para caracterizar as propriedades mecânicas do sangue humano específicos de cada paciente.

Por fim, incorporações de plataformas microfluídicas na formulação de microreômetros têm ganhado espaço nos últimos anos, com um potencial de reproduzir os ensaios de alta precisão de reômetros tradicionais com um custo reduzido de espaço e amostra.

Reologia na Medicina Regenerativa

Mais recentemente, reômetros tem se mostrado fundamentais no ramo da biofabricação, um campo de pesquisa que busca a automação dos processos, combinando estratégias de fabricação 3D com a manipulação e posicionamento de células vivas ou agregados celulares.

Dentre suas estratégias, a bioimpressão 3D vem ganhando espaço por permitir a formação de microambientes mais complexos, a partir do posicionamento preciso de células e biomateriais pela bioimpressora. Esses materiais, por sua vez, são depositados na forma de hidrogéis (ou biotintas, quando diluídos junto às células), que cumprem o papel de revestir as células e atuar como substituta de sua matriz extracelular.

A partir de amostras desses hidrogéis, é possível analisar suas propriedades reológicas a partir de ensaios rotacionais e análises oscilatórias, que trarão informações fundamentais sobre a formulação desse hidrogel.

A partir de análises de ensaios rotacionais, pode-se determinar propriedades viscosas e elásticas do material, sendo possível calcular, entre outros fatores, a tensão de cisalhamento do material, sendo esse um dos principais fatores responsáveis pela morte celular.

Por outro lado, análises oscilatórias são capazes de determinar o grau de deformação da amostra, determinando regiões de viscoelasticidade linear, em que temos uma maior plasticidade do material, que auxilia não só na estruturação 3D do tecido, mas também na organização espacial das células e em eventos como migração, diferenciação e vascularização.

Nesse contexto, alguns desafios vêm sido superados a partir da utilização de propriedades reológicas ideais, que permitem um melhor funcionamento da maquinaria - que no caso das bioimpressoras 3D, se discute uma “janela de bioimpressão” ideal, encontrando a viscoelasticidade ideal da biotinta para que o processo ocorra sem comprometer a viabilidade celular.

Por outro lado, pensando mais no aspecto biológico, a reologia serve também para potencializar o comportamento celular, criando um microambiente com propriedades biofísicas similares aos órgãos e tecidos originais do organismo, tendo sido capaz de guiar processos de internalização de fatores, vascularização, diferenciação celular e expressão de proteínas a partir de um processo denominado mecanotransdução, em que processos moleculares intracelulares transformam sinais de condições biofísicas extracelulares em uma resposta biológica.

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Referências

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