Engenheiros transformam arte em novos dispositivos

Nov 15, 2023

Origami, a arte de dobrar papel em objetos tridimensionais, é uma pura expressão de estética e geometria. Os artistas “ensinam” uma folha de papel posicionando-a, segurando-a e dobrando-a em padrões precisos, tornando os vincos “memórias” em suas fibras. Criá-lo pode ser fascinante e até alegre. Mas tem muitas outras aplicações e benefícios potenciais – e um deles é a engenharia de tecido hepático artificial para triagem de terapias médicas.

Carol Livermore, Ph.D., é professora associada de engenharia mecânica na Northeastern University. “Meu laboratório estava trabalhando em técnicas de montagem direcionada de pequenos objetos, incluindo células, em superfícies planas. Já tínhamos uma ótima técnica para colocar diferentes tamanhos ou tipos de células onde queríamos, mas apenas desde que o tecido necessário fosse plano.”

Em brainstorming com sua equipe, a Dra. Livermore ilustrou o origami como uma forma de transformar padrões 2D em objetos 3D. “O origami cria todos os tipos de formas fascinantes, mas tem outras características menos conhecidas. Por exemplo, você pode projetar estruturas para que haja apenas um resultado provável ao dobrá-las.”

Seu projeto recebeu US$ 2 milhões em financiamento da National Science Foundation (NSF) e do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, um dos muitos projetos explicitamente obrigados a usar o origami para um importante propósito de engenharia e a incluir artistas e matemáticos de origami.

Com o físico e mestre em origami Robert J. Lang, Ph.D., a bordo, a equipe aprendeu sobre designs de origami de “grau único de liberdade”. “Basicamente, se você modelar os vincos nos lugares certos, deixar uma mão fixa no lugar e, com a outra mão, segurar outra parte da folha, a direção que uma dobra tomará torna-se totalmente previsível”, disse o Dr. “Essa confiabilidade é muito importante para os resultados da engenharia.”

A função hepática é difícil de replicar. No tecido hepático, o sangue flui através de pequenas vias, chamadas sinusóides, para que as moléculas possam atingir as camadas individuais dos hepatócitos que filtram as substâncias do sangue.

“Esse padrão se repete continuamente em um bloco de tecido. Se os nutrientes e produtos químicos que precisam ser processados ​​pelo fígado não conseguirem chegar ao hepatócito, ele não prosperará nem será útil, e todas essas camadas incrivelmente finas serão necessárias. Então você precisa de fluxo através dos vasos sanguíneos e difusão através das camadas endoteliais. Isso permite que as substâncias cheguem aos hepatócitos, ao mesmo tempo que os protege do estresse de cisalhamento do fluxo que passa”, explicou o Dr. Livermore.

Origami, automaticamente uma estrutura em camadas, foi uma solução ideal. No tecido artificial de origami, as células foram semeadas em uma membrana resistente de policarbonato nanoporosa revestida com colágeno para manter as células viáveis, com minúsculos poros funcionando como as camadas endoteliais que revestem os sinusóides. “Agora poderíamos colocar os hepatócitos de um lado e as células endoteliais do outro. Tivemos fluxo de meio de cultura celular, como sangue artificial, de um lado da membrana nanoporosa, e hepatócitos e meio de cultura celular do outro, e difusão através da membrana, levando nutrientes para os hepatócitos.”

Para direcionar o fluxo foi utilizada fita Kapton® dupla face, com furos cortados a laser em intervalos precisos. Em seguida, as fitas dupla-face e as membranas foram dobradas em forma de sanfona em 90 graus, repetidamente (para visualizar, junte duas tiras de papel em ângulo reto e dobre). Os furos na fita dobrada criaram um caminho de fluxo. “O legal é que isso nos deu a capacidade de replicar razoavelmente o que acontece no corpo. O padrão de origami foi dobrado manualmente de forma determinística, com vincos pré-definidos a laser; uma imitação técnica de como os artistas de origami apresentam seu trabalho.”

A Dra. Livermore e sua equipe concluíram recentemente o projeto NSF, alcançando seu primeiro objetivo: criar dispositivos de tecido artificial que funcionem e respondam à terapia medicamentosa como faria o tecido humano.

Assim como o origami, o kirigami envolve dobrar, mas também permite cortar e colar. Katia Bertoldi, Ph.D., pesquisadora principal do Grupo Bertoldi da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson da Universidade de Harvard, há muito tempo faz experiências com essa forma, por exemplo, desenvolvendo robôs macios que se movem como cobras, com escamas de kirigami para locomoção. “Kirigami é uma plataforma simples, que introduz cortes no papel, mas é fascinante o que você pode fazer com ela – tantas formas interessantes que se transformam e se transformam.”