A microfluídica e os ciborgues

Por Johmar Souza. 

Cyborg – Liga da Justiça

O texto de hoje se trata de um pensamento antigo que carrego desde que ganhei meu primeira revista de quadrinhos da liga da justiça que mostrava diversos heróis e um deles sempre me intrigou simplesmente por existir (mesmo que dentro de uma ficção). Como foi o possível a criação de um super herói como o Cyborg?

Para quem não conhece, o Cyborg (também chamado de Victor Stone) foi um jogador de futebol americano com um Q.I de 170 pontos. O seu pai, Silas Stone, era um dos principais cientistas dos laboratórios S.T.A.R. que pesquisava sobre a caixa-materna, um artefato alienígena. Certa vez, Victor foi confrontar o pai no laboratório e a caixa-materna explodiu, destruindo grande parte do corpo de Victor. Para salvar a vida do filho, Silas utilizou uma tecnologia experimental para transformar Victor em um ciborgue utilizando membros robóticos e um sistema operacional.

Sem entrar no mérito do possível e impossível, Victor permaneceu vivo por alguns momentos sem possuir um dos pulmões, estômago, intestino, rins, fígado… a lista pode prosseguir continuamente. Como é possível reconstruir alguém após perder tantos órgãos vitais? Como é possível dar sustentação física para um corpo destruído e continuar com algumas outras atividades metabólicas importantes em espaços vazios onde ficavam os órgãos?

Talvez a ciência chegue perto de realizar isso de forma tão rápida quanto nos quadrinhos. Mas até lá, podemos não só imaginar a construção de alguns órgãos artificiais como podemos projetá-los cientificamente utilizando dispositivos microfluídicos através de materiais biocompatíveis. Isso significa que algumas funções fundamentais do órgão original poderiam ser construídas em órgãos artificiais e implantadas no corpo humano.

Mas como isso funcionaria?

Corpo humano – Uma grande indústria

Corpo humano como uma indústria.

Primeiramente devemos nos lembrar que o corpo humano pode ser visto como uma grande indústria. Em cada região ocorrem operações e reações diferentes que possibilitem o organismo a executar suas funções e cumprir seus objetivos.

Essas atividades ocorrem devido cada grupo celular dos órgãos do ser humano possuírem funções específicas pré-programadas. Por isso sua pele não produz ácido clorídrico e seu estômago não secreta suor.

Mas como é possível realizar estudos do comportamento de células e até mesmo replica-las fora do corpo humano?

 Microfluídica e os órgãos artificiais

A cultura celular é realizada pensando no tipo de secreção que cada célula pode gerar. Para isso, são criados condições específicas de temperatura, pressão, movimento, pH etc. para cada grupo celular de forma que o metabolismo da célula in vitro seja similar à célula in vivo.

Para alcançar esse tipo de atuação, são utilizados diversos equipamentos comuns à microfluídica como microbombas, válvulas, tubulações e membranas de troca iônica.

A perfeita adaptação das células aos dispositivos microfluídicos podem ser futuramente escalonadas com a utilização de impressoras 3D para sistemas maiores. 

Vamos analisar dois exemplos. O pulmão e o rim.

Pulmão microfluídico

O pulmão pode ser construído através de um dispositivo que possa aplicar movimentos similares ao da respiração. Na figura abaixo é demonstrado as células agrupadas e duas câmaras de vácuo que fazem com que o tecido celular se alongue e relaxe continuamente, de forma que possa imitar as contrações pelo movimento de respiração.

É importante que sejam respeitados esses comportamentos para que as células possam atuar de forma mais similar possível ao corpo humano, para que os mesmos metabólitos e funções sejam alcançados.

Adaptado de KIMURA, H.; SAKAI, Y.; FUJII, T. Organ/body-on-a-chip based on microfluidic technology for drug Discovery. Drug Metabolism and Pharmacokinects, v. 33, p.43-48, 2018.

“Rim Biônico”

O rim é outro órgão importante que apresenta funções que podem ser implementadas em dispositivos microfluídicos. O sistema de filtragem do sangue, uma das principais funções do rim, pode ser realizado através de sistemas microfluídicos em série com membranas de troca iônica, dando origem ao “Rim Biônico”, que funcionará de acordo com a pulsação do coração.

Um exemplo dessa tecnologia foi apresentado por pesquisadores da Universidade da Califórnia e apresenta um tamanho próximo a de uma lata de refrigerante.

Desafios para o setor médico

Apesar dos estudos recentes indicarem uma possibilidade no futuro de termos os primeiros seres humanos aperfeiçoados artificialmente com órgãos que funcionarão de forma extremamente superior aos nossos, podendo enxergar à longas distâncias ou podendo acelerar o metabolismo somente com um “click”, por exemplo, é importante ressaltar que os órgãos biônicos ainda não substituem completamente um órgão humano.

Os órgãos artificiais ainda apresentam somente uma função específica do original, que apresenta inúmeras funções no organismo humano. Descobrir como tornar possível replicar essas funções em um único dispositivo é o grande desafio atualmente para pesquisadores do setor biomédico.


 

 

Johmar Souza é graduado em Engenharia Química pela Universidade do Estado do Amazonas em 2018, onde desenvolveu para o trabalho de conclusão de curso um dispositivo microfluídico de separação inercial da gordura do leite. Atualmente está ingressando no Mestrado em Engenharia Química na Unicamp onde dará seguimento nos estudos sobre microfluídica e suas diversas aplicações. Se pudesse, desenvolveria um dispositivo microfluídico para fazer café.


  


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Sobre Harrson S. Santana

Harrson S. Santana obteve seu doutorado em Engenharia Química pela Universidade de Campinas em 2016. Sua tese de doutorado foi a investigação da síntese de biodiesel em microcanais, utilizando simulações numéricas e ensaios experimentais. Em 2015, ele passou vários meses na Universidade de Glasgow (Reino Unido) desenvolvendo pesquisas na área de impressão 3D. Atualmente, ele é pesquisador associado e professor colaborador da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, trabalhando no desenvolvimento de microplantas químicas e uso de impressoras 3D em processos químicos. Ele publicou vários artigos explorando desde simulações numéricas no desenvolvimento de microdispositivos até o uso de microfluídica em reações químicas e operações unitárias. Seu interesse científico se concentra em fenômenos de transporte em sistemas microfluídicos, impressoras 3D e sistemas robóticos aplicados a processos químicos em microescala.

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