Tecnologia 3D pode ajudar no diagnóstico de covid-19

8 de julho de 2020 5 mins. de leitura
Impressora foi capaz de imprimir sensores em pulmão suíno com simulação de movimento de respiração. (Fonte: Universidade de Minnesota/Divulgação)

A tecnologia 3D já é utilizada de forma eficiente para ajudar no combate à pandemia de coronavírus. Empresas estão construindo instrumentos, como ventiladores mecânicos, e adaptando máscaras, mas o equipamento pode ir além. Um grupo de cientistas da Universidade de Minnesota desenvolveu um modelo capaz de imprimir biossensores em órgãos.

As tecnologias de impressão tridimensional evoluíram rapidamente nas últimas décadas e agora incluem recursos como robocasting (RC) e impressão a jato de tinta, que podem entrelaçar tridimensionalmente uma paleta diversificada de materiais além dos plásticos duros, como condutores impressos em 3D, semicondutores e biomateriais.

A capacidade de imprimir diretamente dispositivos biomédicos compatíveis com órgãos humanos vivos pode beneficiar o monitoramento de pacientes e o tratamento de feridas. O novo estudo, publicado na revista científica Science Advances, permite o uso ainda mais sofisticado de sensores impressos tridimensionalmente em órgãos como pulmões ou coração, que mudam de forma ou distorcem devido à expansão e à contração.

Mapeando o movimento

Os pesquisadores desenvolveram um sistema de impressão 3D in situ que estima o movimento e a deformação da superfície-alvo para adaptar o percurso do bico da impressora em tempo real. O experimento começou com a utilização em laboratório de uma superfície semelhante a um balão e uma impressora 3D especializada.

Os cientistas usaram marcadores de rastreamento de captura de movimento, como os usados nos filmes para criar efeitos especiais nos filmes de Hollywood, para ajudar a impressora 3D a adaptar seu caminho de impressão aos movimentos de expansão e contração na superfície. O primeiro teste mostrou que o equipamento poderia ser utilizado em pulmões e corações vivos.

Experimento em 3D com pulmão

Impressora foi capaz de imprimir sensores em pulmão suíno com simulação de movimento de respiração. (Fonte: Universidade de Minnesota/Divulgação)
Impressora foi capaz de imprimir sensores em pulmão suíno com simulação de movimento de respiração. (Fonte: Universidade de Minnesota/Divulgação)

O passo seguinte do experimento foi utilizar o equipamento em um pulmão de suíno, sob deformação induzida por 12 respirações por minuto, simuladas com o auxílio de um computador. Cada nível de pressão fornecida resultou em um estado de respiração e uma correspondente deformação do formato do pulmão.

A geometria da superfície sob cada estado de deformação foi então mostrada por um scanner de luz estruturado para formar o conjunto de dados do algoritmo de Inteligência Artificial para aprender o modelo de deformação. A partir de então, a impressora pode imprimir um sensor à base de hidrogel na superfície em movimento do pulmão de suíno, com um mapeamento espacial contínuo da deformação via tomografia de impedância elétrica (EIT).

Equipamento utilizado

A plataforma de impressão personalizada consistia em um sistema de pórtico de impressão 3D com precisão de controle de movimento em nível de micrômetro, um sistema de extrusão de material controlado por um regulador pneumático, duas câmeras de visão de máquina montadas na cabeça de extrusão, além de rastreamento baseado na visão e um sistema de iluminação que auxilia o sistema da câmera a obter a melhor qualidade de imagem.

A impressão 3D adaptativa do sensor de deformação EIT foi baseada apenas nos fluxos de imagem em tempo real das câmeras de rastreamento e no modelo de deformação aprendido, resultando em uma camada circular de hidrogel no pulmão com erro médio de impressão de 0,657 milímetro. Os eletrodos incorporados no anel de silicone foram então fixados à camada impressa e expostos à luz UV para reticulação do hidrogel. Uma interface estável hidrogel-eletrodo também foi alcançada através da formação de ligações silicone-hidrogel durante a cura da luz UV. A interface foi testada para poder sobreviver a trechos mecânicos substanciais.

Usos possíveis

Tecnologia pode permitir a impressão de materiais biológicos dentro do corpo humano no futuro. (Fonte: Shutterstock)

Essa abordagem de impressão 3D adaptável ao movimento pode aprimorar os tratamentos médicos assistidos por robô, permitindo a impressão autônoma e direta de eletrônicos vestíveis e materiais biológicos no corpo humano e dentro dele. Isso significa que há potencial para facilitar o diagnóstico e o monitoramento de doenças, como a covid-19.

A impressão tridimensional pode permitir que dispositivos e sensores biomédicos flexíveis e compatíveis sejam fabricados na pele e no interior do corpo, avançando em monitoramento portátil do paciente, tratamento de feridas e aumento da função do órgão.

Como exemplo, as medidas espaço-temporais da deformação pulmonar sob ventilação mecânica são capazes de fornecer informações valiosas para estudos da mecânica da respiração, diagnóstico de doenças pulmonares crônicas e terapias para câncer de pulmão.

De acordo com Michael McAlpine, orientador da pesquisa em release da Universidade de Minnesota, “no futuro, a impressão 3D não será apenas sobre impressão, mas fará parte de um sistema robótico autônomo maior. Isso pode ser importante para doenças como a covid-19, visto que os profissionais de saúde correm risco ao tratar pacientes”.

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Fontes: Science Daily, Science Advances, Universidade de Minnesota.

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