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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Curso de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Minas
Dissertação de Mestrado
“SOLDAGEM TÉRMICA DE TECIDO BIOLÓGICO RICO EM COLÁGENO (AORTA
PORCINA)"
Autor: Rubem Lucas Pena de Figueiredo
Orientador: Prof. Rodrigo Lambert Oréfice
Fevereiro/ 2009
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ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Curso de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Minas
Rubem Lucas Pena de Figueiredo
SOLDAGEM TÉRMICA DE TECIDO BIOLÓGICO RICO EM COLÁGENO (AORTA
PORCINA)
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia
Metalúrgica e de Minas da Universidade Federal de Minas Gerais
Área de concentração: Ciência e Engenharia de Materiais
Orientador: Prof. Rodrigo Lambert Oréfice
Belo Horizonte
Escola de Engenharia da UFMG
2009
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iii
À minha esposa, Gesieni,
minha filha, Gabriela,
meus pais, Cida e Rubens
e minha irmã, Raíssa
iv
AGRADECIMENTOS:
O autor agradece a todos aqueles que, direta ou indiretamente, colaboraram na
preparação deste trabalho e, em particular:
Ao Prof. Rodrigo Oréfice
Ao Prof. Vicente Tadeu Lopes Buono
Ao Prof. Paulo José Modenesi
À Maria Sylvia Silva Dantas
Ao Luiz Martins Pinheiro
Ao José Barone Rosa
À Izabela Caiafa
Ao Zhengrong Zhou
À Dory Chretin
Ao Dr. Marcelo
v
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.........................................................................................................1
2 OBJETIVOS.............................................................................................................4
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................6
3.1 Válvulas cardíacas e biopróteses de válvulas cardíacas................................6
3.2 Tecido conjuntivo e colágeno..........................................................................8
3.3 Soldagem de tecidos.....................................................................................11
3.4 Vantagens e desvantagens da solda em relação à sutura. ..........................13
3.5 Hipóteses sobre os mecanismos envolvidos na soldagem de tecidos. ........17
3.6 Fixação química do tecido e sua importância após o processo de soldagem.
22
3.7 Metodologia e resultados obtidos com as soldas..........................................24
4 METODOLOGIA....................................................................................................30
4.1 Preparação da amostra.................................................................................30
4.1.1 Preparação da amostra para o processo de solda térmica em estufa......31
4.1.2 Preparação da amostra para exposição à temperatura por imersão em
líquido aquecido.....................................................................................................35
4.2 Parâmetros de temperatura, tempo, re-hidratação e fixação dos
experimentos.............................................................................................................36
vi
4.2.1
Variação da temperatura e umidade.........................................................36
4.2.2 Efeito da fixação com glutaraldeído do tecido soldado.............................36
4.2.3 Avaliação da re-hidratação do tecido soldado...........................................37
4.2.4 Variação do tempo de exposição ao calor na estufa.................................37
4.2.5 Comparação da resistência mecânica do tecido soldado com o tecido
suturado e com o tecido íntegro ............................................................................37
4.2.6 Experimentos preliminares........................................................................37
4.3 Análise das soldas ........................................................................................40
4.3.1 Análise visual ............................................................................................40
4.3.2 Ensaios de Tração ....................................................................................41
4.3.3 Análise no Microscópio Eletrônico de Varredura Ambiental......................42
4.3.4 Análise com Microscopia Raman..............................................................43
4.3.5 Encurtamento e Análise Histológica..........................................................43
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO.............................................................................44
5.1 Análise visual das soldas..............................................................................44
5.2 Ensaios de tração..........................................................................................46
5.2.1 Variação de temperatura e umidade.........................................................46
5.2.2 Efeito da fixação química com glutaraldeído da peça soldada .................48
5.2.3 Efeito da concentração do glutaraldeído na resistência mecânica ...........49
vii
5.2.4
Efeito da re-hidratação do tecido soldado.................................................50
5.2.5 Efeito do tempo de exposição ao calor na estufa......................................51
5.2.6 Efeito do tempo de fixação química na resistência mecânica...................53
5.2.7 Comparação da resistência mecânica da tecido soldado e do tecido
suturado.................................................................................................................54
5.2.8 Comparação da resistência mecânica da solda e do tecido íntegro.........55
5.2.9 Comparação da resistência mecânica da solda e do tecido íntegro após
alta desidratação das amostras.............................................................................56
5.3 Análise de curvas Tensão x Deformação obtidas nos ensaios de tração.....58
5.4 Análise no Microscópio Eletrônico de Varredura ..........................................62
5.5 Análise com Microscopia Raman..................................................................65
6 CONCLUSÕES......................................................................................................71
7 RELEVÂNCIA DOS RESULTADOS......................................................................74
8 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.....................................................75
9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................77
10 APÊNDICES......................................................................................................81
10.1 Apêndice A: Análises de Variância dos dados de Tensão Média de
Resistência................................................................................................................81
10.1.1 Análise de Variância para os dados da Tabela 5-1 - Resistência
mecânica x Umidade Relativa ...............................................................................81
viii
10.1.2
Análise de Variância para os dados da Tabela 5-2 - Resistência
mecânica x Temperatura.......................................................................................82
10.1.3 Análise de Variância para os dados da Tabela 5-3 - Resistência
mecânica: Tecido não-fixado x tecido fixado.........................................................84
10.1.4 Análise de variância para os dados da Tabela 5-4 - Efeito da
concentraçao do glutaraldeído na resistência mecânica.......................................85
10.1.5 Análise de Variância dos dados da Tabela 5-7 - Efeito do tempo de
fixação química na resistência mecânica ..............................................................87
10.1.6 Análise de Variância dos dados da Tabela 5-8 - Resistência mecânica:
Tecido soldado x tecido suturado..........................................................................87
10.1.7 Análise de Variância dos dados da Tabela 5-9 - Resistência mecânica:
Tecido soldado x tecido íntegro.............................................................................88
10.1.8 Análise de Variância dos dados da Tabela 5-10 - Resistência mecânica:
Tecido soldado x tecido íntegro após alta desidratação........................................90
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 3-1 - Corte do coração mostrando as válvulas abrindo e fechando durante a
diástole e a sístole. .........................................................................................................6
Figura 3-2 - Foto de uma bioprótese de válvula porcina, produzida pela St. Jude
Medical............................................................................................................................8
Figura 3-3 - Fibras, fibrilas e microfibrilas do colágeno. (CAMPBELL, 1995).................9
Figura 4-1 - Processo de limpeza do segmento aórtico para o processo de soldagem
térmica ..........................................................................................................................31
Figura 4-2 - Preparação da amostra para exposição ao calor......................................33
Figura 4-3 - Opção de fixação do tecido biológico à placa de silicone com linha.........34
Figura 4-4 - Aspecto do conjunto após a fixação do tecido com alfinetes e fixação das
tiras de papel-toalha......................................................................................................34
Figura 4-5 - Preparação da amostra para solda com aposição forçada.......................39
Figura 4-6 - Corte na amostra para o ensaio de tração................................................41
Figura 4-7 - Configuração do ensaio de tração da amostra soldada............................42
Figura 4-8 - Sub-seção a-b da amostra original para observação no MEV..................43
Figura 5-1 - Aspecto do tecido na região da solda. Tecido com grau médio de
desidratação. ................................................................................................................45
Figura 5-2 - Aspecto da região da solda em uma amostra com alto grau de
desidratação. ................................................................................................................45
x
Figura 5-3 - Resistência mecânica elevada em parte de uma das amostras soldadas53
Figura 5-4 - Curvas tensão x deformação típicas do tecido fresco...............................58
Figura 5-5 - Curvas tensão x deformação típicas do tecido soldado e com alto grau de
desidratação. ................................................................................................................59
Figura 5-6 - Curvas tensão x deformação típicas do tecido parcialmente desidratado na
estufa ............................................................................................................................60
Figura 5-7 - Curvas tensão x deformação típicas do tecido fixado quimicamente com
glutaraldeído. ................................................................................................................61
Figura 5-8 - Curvas tensão x deformação típicas do tecido soldado e fixado
quimicamente em glutaraldeído....................................................................................62
Figura 5-9 - Imagem gerada no MEV da região da solda térmica (100x).....................64
Figura 5-10 - Imagem gerada no MEV da região da solda térmica (400x)...................64
Figura 5-11 – Desenho esquemático mostrando as regiões do tecido analisadas na
espectroscopia Raman. ................................................................................................65
Figura 5-12 - Espectro das amostra de tecido fresco, semi-desidratado e seco. Banda
de 400 a 700 cm
-1
. ........................................................................................................68
Figura 5-13 - Espectro das amostra de tecido fresco, semi-desidratado e seco. Banda
de 700 a 1250 cm
-1
. ......................................................................................................69
Figura 5-14 - Espectro das amostra de tecido fresco, semi-desidratado e seco. Banda
de 1200 a 1700 cm
-1
. ....................................................................................................69
Figura 5-15 - Espectro das amostra de tecido fresco, semi-desidratado e seco. Banda
de 2800 a 3800 cm
-1
. ....................................................................................................70
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 3-1 - Resumo dos resultados de tensão de reisistência obtidos por alguns
pesquisadores...............................................................................................................29
Tabela 5-1 - Resistência mecânica x Umidade Relativa para T = 40 ºC e t = 24 h......46
Tabela 5-2 - Resistência mecânica x Temperatura para %H
2
O = 35% e t = 24 h........47
Tabela 5-3 - Resistência mecânica: Tecido não-fixado x tecido fixado........................48
Tabela 5-4 - Efeito da concentraçao do glutaraldeído na resistência mecânica...........49
Tabela 5-5 - Efeito da re-hidratação na resistência mecânica......................................50
Tabela 5-6 - Efeito do tempo de exposição ao calor na resistência mecânica.............51
Tabela 5-7 - Efeito do tempo de fixação química na resistência mecânica..................53
Tabela 5-8 - Resistência mecânica: Tecido soldado x tecido suturado........................54
Tabela 5-9 - Resistência mecânica: Tecido soldado x tecido íntegro...........................55
Tabela 5-10 - Resistência mecânica: Tecido soldado x tecido íntegro após alta
desidratação .................................................................................................................57
xii
DEFINIÇÕES
Cúspide e Folheto: A cúspide é parte da válvula cardíaca, que tem a função
de permitir que o sangue flua em somente um sentido. Normalmente há três
cúspides para cada válvula, com exceção da válvula mitral, que possui duas
cúspides. O folheto é o tecido em forma de bolsa, que faz parte da cúspide da
válvula cardíaca.
Anastomose: Uma união natural ou cirúrgica de duas partes ou ramais de
estruturas tubulares de forma a torná-los contínuos. Um exemplo é a
reconexão cirúrgica de duas extremidades de uma artéria.
Desnaturação: Um processo no qual a estrutura de uma proteína é alterada,
fazendo com que a proteína torne-se biologicamente inativa. É a destruição de
sua estrutura tridimensional natural, causada por um agente externo (calor, por
exemplo).
xiii
SIGLAS
AEO: Área Efetiva do Orifício. Área da válvula que abre efetivamente durante o
ciclo cardíaco sob fluxo e pressão constantes.
ANOVA: Acrônimo para "Analysis of Variance", ou Análise de Variância. É um
teste estatístico amplamente difundido entre os analistas, e visa
fundamentalmente verificar se existe uma diferença significativa entre as
médias de dois grupos de dados.
DSC: “Differential Scanning Calorimetry”, ou Calorimetria Exploratória Diferencial.
Técnica termoanalítica na qual a diferença na quantidade de calor requerida para
aumentar a temperatura de uma amostra e uma referência são medidas em função da
temperatura. A principal aplicação é estudar transição de fases, tais como fusão,
transição vítrea e decomposições térmicas.
MEV: Microscópio Eletrônico de Varredura.
xiv
RESUMO
Biopróteses de válvulas cardíacas são fabricadas com suturas, que trazem
desvantagens como a dificuldade de automatizar o processo e concentração de
tensão na região de união do tecido. A soldagem de tecido é uma técnica que pode
ser um substituto à sutura.
Estudos foram realizados com o intuito de avaliar a viabilidade da solda térmica para o
tecido biológico utilizado na bioprótese, avaliar sua resistência mecânica e procurar
entender os mecanismos envolvidos no processo.
Os experimentos envolveram aplicação direta de calor no tecido a ser soldado. Na
busca dos melhores resultados, foram investigadas variações nos seguintes
parâmetros: temperatura, umidade, tempo de exposição, método de aplicação do calor
e fixação química. O melhor método consistiu em fazer um incisão numa amostra do
tecido e expô-lo à temperatura e umidade controladas numa estufa. A resistência
mecânica da solda foi avaliada num ensaio de tração.
A maior resistência mecânica média foi obtida com a solda feita na estufa a 40 °C,
com umidade controlada entre 30 e 40%. O tempo de exposição ao calor também
aumentou a resistência mecânica, mas esta diferença desapareceu após a fixação
química. Por sua vez, a fixação química mostrou-se indispensável na estabilidade da
solda, já que esta se desfaz após a re-hidratação em solução salina, caso não seja
fixada. Os melhores resultados foram obtidos com glutaraldeído a 2,50% por 15 dias.
Os resultados correspondem a cerca da metade da resistência mecânica média obtida
com suturas, mas alguns valores isolados mostraram que há o potencial de se obter
soldas com resistência comparável à sutura. A espectroscopia Raman e a análise no
MEV mostraram que a solda está mais relacionada à ligação química entre fibras de
colágeno do que propriamente uma fusão do material.
xv
ABSTRACT
Cardiac valve bioprosthesis are manufactured by means of sutures, which brings some
disadvantages, as the difficulty of creating an automated process and the stress
concentration in the tissue suturing region. Tissue welding is a technique that can
replace the suture.
Studies were carried out with the purpose to assess the feasibility of applying the
thermal welding in the biological tissue used in the bioprosthesis, evaluating its
mechanical strength and understanding the mechanisms involved in the process.
The experiments involved the direct application of heat in the tissue to be welded. In
order to pursue the best results, the following parameters were assessed: temperature,
humidity, exposure time, heat application method and chemical fixation. The best
method consisted of making an incision in the tissue sample and exposing it to the
controlled temperature and humidity in an incubator. The mechanical strength of the
weld was evaluated in a tensile test machine.
The highest average mechanical strength was obtained from the weld made within the
incubator at 40 °C, with a controlled humidity between 30% and 40%. The heat
exposure time also increased the mechanical strength, but this difference disappeared
after the chemical fixation. The chemical fixation in turn was demonstrated to be
essential for the stability of the weld, which disappears after re-hydration in saline
solution, if it was not fixed. The best results were obtained with 2.50% glutaraldehyde
for 15 days. The results correspond to about half of the average mechanical strength
obtained with sutures, but some isolated values showed that the potential to obtain
welds with the strength as the suture. Raman spectroscopy and analysis at the SEM
showed that the weld is more associated with chemical bonds between collagen fibers
than material fusion.
1
1 INTRODUÇÃO
A pesquisa aqui apresentada sobre a soldagem de tecidos biológicos foi realizada
objetivando uma potencial aplicação na fabricação de biopróteses de válvulas
cardíacas.
Próteses de válvulas cardíacas são utilizadas para substituir, cirurgicamente, válvulas
do coração, principalmente as válvulas aórtica e mitral. A válvula nativa pode
apresentar alguma anomalia ou problema que impeça o seu funcionamento normal,
afetando desta forma a circulação adequada de sangue pelo corpo que leva a diversas
complicações na vida normal de uma pessoa. Em alguns casos há a possibilidade de
reparar a válvula nativa, mas em outros há a necessidade de substituir a válvula
doente por uma prótese, que pode ser mecânica ou biológica. O alvo desta
investigação é a do tipo biológica.
As próteses de válvulas cardíacas biológicas são também denominadas biopróteses
de válvulas cardíacas. O termo "bioprótese" foi criado por Carpentier, renomado
pesquisador da área cardiovascular, que também introduziu, em 1968, o glutaraldeído
como agente para fixação de tecidos biológicos. Este composto químico é utilizado até
os dias de hoje como o mais indicado para o processo de fixação química.
Biopróteses de válvulas cardíacas biológicas são hoje produzidas através da utilização
de folhetos de válvulas porcinas ou de folhetos produzidos com o pericárdio bovino.
Em ambos os casos, os folhetos são presos, através de suturas, a um anel de material
polimérico. A pesquisa será focada na bioprótese de material porcino.
A produção destas válvulas é um trabalho manual, que consiste essencialmente na
execução de suturas que unem os três folhetos e os prendem ao anel de suporte.
Algumas destas suturas são de difícil execução, especialmente na execução da
comissura – que une as paredes de dois folhetos adjacentes – e, ao mesmo tempo, os
fixa ao anel. A dificuldade está no acesso à região de sutura e à técnica exigida para
se ter um bom acabamento.
2
Devido à irregularidade do material biológico, que apresenta as mais diversas
variações de forma e tamanho, por ser um material muito flexível e pela complexidade
da técnica utilizada para suturar os folhetos, torna-se muito difícil inserir etapas
automatizadas no processo. Em outras palavras, a produção fica muito dependente de
uma mão-de-obra muito especializada. E é praticamente impossível encontrar
profissionais prontos para a produção de uma bioprótese de válvula cardíaca, exigindo
um treinamento muito longo. Em um certo fabricante local o treinamento pode durar
cerca de 6 meses.
Talvez a solução para a questão da automação de algumas etapas esteja numa
tecnologia que tem sido desenvolvida na área cirúrgica, e a qual percebeu-se que
poderia ter uma potencial aplicação na fabricação de biopróteses de válvulas
cardíacas: a soldagem de tecido biológico.
No campo da cirurgia de reparo de alguns órgãos como rim, vasos sanguíneos
(anastomose) e fígado, a soldagem como alternativa à sutura vem sendo bastante
estudada. Várias técnicas vêm sendo estudadas, inclusive utilizando-se laser como
fonte de energia para o processo. Esta técnica ainda está em fase de pesquisa, ainda
que já tenha sido aplicada algumas vezes em campo, mas os resultados têm
empolgado os pesquisadores.
As pesquisas citam dois termos quando falam de soldagem de tecidos: "tissue
welding" e "tissue soldering". "Tissue welding" pode ser traduzido como soldagem de
tecido, pela semelhança ao processo utilizado com outros materiais, principalmente o
metal. Na soldagem, a união ocorre por aquecimento das bordas apostas e
consequente união, sem a necessidade de qualquer outro agente estranho ao próprio
material. Já para "tissue soldering", a melhor tradução que podemos encontrar é
brasagem. Na metalurgia ou ciências dos materiais, brasagem é o processo de união
de dois materiais, pela adição de um material diferente cuja temperatura de fusão é
menor que a do material de base.
Nas pesquisas de união de tecidos biológicos, começou-se a utilizar o termo
"soldering" quando descobriu-se que a adição de algumas proteínas, como a
albumina, aumentavam a resistência da solda. Porém, é importante destacar logo aqui
na introdução que a brasagem não é um método interessante para o objetivo deste
3
trabalho. Na cirurgia ele é útil, pois aumenta a resistência da solda e o agente soldante
é absorvido gradativamente pelo corpo humano, à medida que o processo natural de
recuperação ou cicatrização do tecido vai ocorrendo. Em outras palavras, numa
cirurgia em um tecido vivo, a solda só é importante mesmo nos primeiros momentos,
até que a regeneração do tecido retome a resistência normal do mesmo. Mas como o
alvo deste trabalho é um bioprótese de válvula porcina, cujo tecido está "morto" e não
tem condições de se regenerar, a solda tem que ser definitiva. Portanto, descarta-se a
opção da brasagem neste trabalho. Além disso, a solda pura, sem um material
estranho, é também mais interessante simplesmente pela não necessidade de se
adicionar um material estranho na prótese.
No processo de montagem de uma válvula cardíaca, a união por soldagem traz
vantagens potenciais em relação ao método atual com suturas:
• Possibilidade de desenvolver etapas automatizadas de fabricação.
• Melhor acabamento na região de união, que pode se traduzir também em
melhor comportamento hemodinâmico da bioprótese.
• Ganho de produtividade, ou seja, o tempo gasto com soldagem do tecido
menor que a aplicação de uma sutura.
A investigação sobre os efeitos da soldagem térmica no tecido biológico ajudarão a
entender o potencial desta técnica para futuras aplicações na manufatura de
biopróteses de válvulas cardíacas.
4
2 OBJETIVOS
Nas fontes pesquisadas, vê-se que há muitas pesquisas no campo cirúrgico, mas
nada com relação a biopróteses. A intenção é então demostrar que existe um
potencial de aplicação da solda térmica em próteses que utilizam material biológico,
mais especificamente, biopróteses de válvulas cardíacas.
De forma bem sucinta, os principais objetivos deste trabalho são:
• Verificar a viabilidade do uso da solda térmica para o tecido da cúspide porcina
- que é o tecido utilizado na fabricação da bioprótese de válvula porcina.
• Definir parâmetros importantes que possam auxiliar, em um trabalho posterior,
no desenvolvimento de uma técnica de soldagem a laser deste tecido.
• Verificar a possibilidade de executar a soldagem sem a necessidade de se
utilizar material exógeno ou cromóforos para auxiliar na soldagem. A soldagem
deve ser realizada tão somente com a ação do calor sobre o material.
• Investigar a resistência mecânica do tecido soldado, comparando-o com a
resistência natural do tecido e também com o tecido unido por suturas.
• Procurar entender os mecanismos envolvidos na soldagem térmica do tecido.
ESTRATÉGIA EXPERIMENTAL
Para alcançar estes objetivos, foram feitos experimentos com aplicação direta de calor
no tecido a ser soldado. Estes experimentos envolveram variações nos seguintes
parâmetros, na busca da combinação que trouxesse os melhores resultados para a
soldagem do tecido:
• Temperatura.
5
• Umidade relativa.
• Tempo de exposição à temperatura.
• Método de aplicação do calor (aplicação direta de calor com metal aquecido,
estufa com temperatura e umidade controladas, imersão em solução com
temperatura controlada)
• Fixação química do tecido biológico com glutaraldeído após o processo de
soldagem (com variação também nos parâmetros do processo de fixação
química, como concentração do agente fixador e tempo).
A resistência da solda foi investigada através de ensaios de tração, para
quantificação da resistência mecânica do material soldado. Foi também avaliada
através de comparação com o tecido íntegro e com o tecido suturado.
Para buscar um melhor entendimento dos mecanismos envolvidos no processo de
soldagem, além de avaliar os resultados obtidos com os experimentos acima
descritos, foram também realizadas análises em microscópio eletrônico de
varredura e espectroscopia Raman.
O MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura) foi utilizado para se analisar a
estrutura física na região da solda, onde foi observado se a solda ocorreu por uma
simples fusão do material, um entrelaçamento das fibras de colágeno, alguma
ligação entre as fibras de colágeno ou qualquer outro aspecto que traga uma
informação útil no entendimento do processo de soldagem.
A espectroscopia Raman foi útil para se analisar ligações químicas que
porventuram tenha surgido (ou desaparecido) com o processo de aquecimento do
tecido, e que, portanto tenham contribuído para o processo de soldagem.
6
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Válvulas cardíacas e biopróteses de válvulas cardíacas.
As válvulas cardíacas são as responsáveis por regular o fluxo de sangue através do
coração, através da abertura e fechamento de seus folhetos.
Quatro válvulas principais mantêm o sangue fluindo em uma só direção através do
coração. O fluxo de sangue entre o átrio e ventrículo é controlado pela válvula
tricúspide no lado direito e pela válvula mitral no lado esquerdo. As válvulas aórtica e
pulmonar controlam a passagem de sangue que sai do coração.
As mudanças que ocorrem com a pressão no coração, causadas pela contração
(sístole) e relaxamento (diástole), fazem as válvulas abrirem e fecharem (Figura 3-1).
Figura 3-1 - Corte do coração mostrando as válvulas abrindo e fechando durante a
diástole e a sístole.
Há, basicamente, dois tipos de próteses de válvulas no mercado: válvulas mecânicas
e válvulas biológicas – com material de origem porcina ou bovina. Há válvulas
biológicas com material oriundo de outros animais, mas não em escala industrial.
7
Entre as válvulas biológicas, há modelos fabricadas com ou sem anel de suporte. As
válvulas biológicas citadas neste trabalho referem-se às válvulas fabricadas com anel
do fabricante St. Jude Medical.
As válvulas biológicas apresentam as seguintes vantagens, quando comparadas às
mecânicas:
• Melhor hemodinâmica.
• Baixa trombogenicidade, ou seja, não há necessidade de anticoagulantes.
• Melhor qualidade de vida.
As válvulas biológicas porcina são construídas a partir da válvula de porcinos, da qual
extraem-se as cúspides. Estas cúspides são selecionadas, fixadas e preparadas para
o processo de fabricação. As cúspides preparadas são, então, selecionadas pelo
operador num processo chamado de “casamento”, na qual ele escolhe três cúspides
cujas características e tamanho são as mais próximas possíveis. Estas três cúspides
são então posicionadas e fixadas a um anel de plástico revestido com um pano de
poliéster, formando a válvula, como a da foto na Figura 3-2
8
Figura 3-2 - Foto de uma bioprótese de válvula porcina, produzida pela St. Jude Medical
Após a fabricação, a bioprótese é submetida ao Teste de Fluxo Uniforme, no qual é
verificado o gradiente de pressão através da válvula quando um fluido o atravessa.
Este valor é importante, pois está diretamente relacionado com o esforço que o
coração deverá fazer quando bombear o sangue através das válvulas. Valores de
gradiente são aceitos somente até um limite superior. Caso a bioprótese apresente um
valor acima deste limite, ela não poderá ser aceita para uso clínico. Para que a válvula
apresente baixos valores de gradiente de pressão, é importante, além de vários
fatores como bom casamento entre os folhetos, que ela tenha um bom acabamento. O
gradiente está inversamente associado à Área Efetiva de Orifício (AEO), que é a área
efetiva que o sangue encontra para atravessar a válvula quando está com os folhetos
totalmente abertos.
Além de manter os gradientes de pressão abaixo dos limites pré-definidos, é
importante também que a válvula apresente os valores mais baixos possíveis por uma
questão de competitividade no mercado de válvulas cardíacas, além de apresentar
uma melhor performance para o paciente.
3.2 Tecido conjuntivo e colágeno
Ao estudar o potencial de uma solda na cúspide, é importante entender a composição
básica do seu material constituinte. A cúspide é formada por um tecido mais espesso,
que corresponde à parede da aorta, e uma bolsa de tecido mais fino, que é o folheto e
é o responsável pelo abrir e fechar da válvula. Nosso interesse volta-se para a parede
da aorta, que é a parte da cúspide que deve ficar fixa às cúspides vizinhas e ao anel
de suporte, na bioprótese. O folheto deve ficar livre para movimentar-se, mantendo
somente a ligação natural à cúspide.
A parede da aorta, assim como os demais vasos sanguíneos, é constituída de tecido
conjuntivo. O tecido conjuntivo é caracterizado por ter uma quantidade relativamente
pequena de células e uma matriz extracelular rica em fibras (ORÉFICE et al.,2006). A
matriz extracelular é toda a massa que preenche os espaços entre as células, e é
constituído de proteínas e outros materiais fabricados pelas próprias células. As
propriedades do tecido conjuntivo estão relacionadas à concentração ou densidades
daquelas fibras, sua posição na matriz e eventualmente sua minerilização (ORÉFICE
9
et al.,2006). Estas fibras podem ser de vários tipos, sendo que a que mais se destaca
é o colágeno. O colágeno é normalmente o principal responsável pela resistência do
tecido (ORÉFICE et al.,2006).
O colágeno é a proteína mais abundante nos mamíferos (NIMNI,1988) e representa
aproximadamente 1/3 de todas as proteínas, sendo composto de 33% de glicina, 13%
de prolina e 9% de hidroxiprolina. Diferentes proporções entre carboidratos e
peptídeos e diferentes sequências de aminoácidos determinam características
especiais para tipos diferentes de colágeno. No caso dos vasos sanguíneos, onde
incluímos a aorta, as principais fibras presentes na matriz extracelular são de colágeno
do tipo III.
O colágeno do tipo III pertence ao grupo de colágenos que formam fibrilas. As
moléculas desses colágenos se agregam para formar fibrilas (Figura 3-3) bem visíveis
no microscópio eletrônico. (JUNQUEIRA e CARNEIRO,1999)
Figura 3-3 - Fibras, fibrilas e microfibrilas do colágeno. (CAMPBELL, 1995)
A unidade protéica que se polimeriza para formar fibrilas colágenas é uma molécula
alongada denominada tropocolágeno, que mede 280 nm de comprimento por 1,5 nm
de espessura. A molécula de tropocolágeno consiste em três cadeias polipeptídicas
10
dispostas em hélice (Figura 3-3). As diferenças na estrutura química dessas cadeias
são responsáveis pelos vários tipos de colágeno. (JUNQUEIRA e CARNEIRO,1999)
No colágeno tipo III (assim como no tipo I e II), as moléculas de tropocolágeno se
agregam em unidades microfibrilares que se juntam para formar fibrilas (Figura 3-3).
Pontes de hidrogênio e interações hidrofóbicas são importantes para a união dessas
unidades que, posteriormente, são reforçadas por ligações covalentes. (JUNQUEIRA e
CARNEIRO,1999)
As fibrilas colágenas são estruturas delgadas e alongadas, com diâmetro variável,
geralmente entre 20 e 90 nm. No colágeno tipo III (assim como no tipo I também), as
fibrilas formam fibras. Na microscopia óptica, podem-se observar estas finas fibras
(JUNQUEIRA e CARNEIRO,1999).
As fibras colágenas mais frequentes são as do tipo I. No estado fresco são brancas,
conferindo essa cor aos tecidos nos quais predominam. A cor branca dos tendões
deve-se à sua riqueza em colágeno.
Por serem longas e de trajeto tortuoso, a morfologia das fibras não é fácil de ser
estudada nos cortes histológicos. Para essa finalidade, um preparado por distensão,
que não precisa ser cortado ao micrótomo, é mais conveniente. Num preparado por
distensão as fibras colágenas aparecem como estruturas cilíndricas alongadas e
flexuosas, com diâmetro de 1 a 20 µm e cujas extremidades se perdem entre os
outros elementos do tecido, por isso não é possível medir o comprimento dessas
fibras.
Quanto à temperatura de transição vítrea do colágeno, encotramos algumas
informações em DONG et al. (2003), que menciona os trabalhos de Mrevlishvili et al.
(1998) e Belopolskaya et al. (2000). O primeiro utilizou um microcalorímetro de
varredura adiabática diferencial e o segundo utilizou o DSC (Calorímetro de Varredra
Diferencial). Ambos encontraram uma temperatura de 40 °C como sendo o ponto de
transição vítrea do colágeno.
11
DONG et al. (2003) fez um estudo através de espectroscopia Raman. Ele obteve
colágeno tipo I e preparou a amostra para análise. Ele obteve espectros do colágeno
em diferentes temperaturas.
A banda a 1263 cm
-1
foi atribuída à vibração característica da Amida III, a qual é
utilizada para estimar características de conformação da estrutura básica da proteína.
Esta banda desaparece quando a temperatura alcança 110 °C. O desaparecimento
desta banda significa que as ligações de hidrogênio entre as três hélices do colágeno
quebraram e a desordem da estrutura das proteínas aumenta.
A banda em 1443 cm
-1
é associada ao metil e metileno. Ela denota a desnaturação do
colágeno. A intensidade desta banda é baixa na faixa de temperatura do corpo
humano, o que indica que o colágeno é muito estável nesta faixa. Já a 42 °C a banda
atinge um pico de intensidade, indicando que a estrutura do colágeno mudará e a
denaturação ocorrerá uma vez que a temperatura esteja acima na faixa normal de
temperatura fisiológica.
3.3 Soldagem de tecidos.
A busca por uma alternativa à sutura nos procedimentos cirúrgicos de união de tecidos
já tem um histórico de várias décadas. Desde os estudos de Young em 1940,
estudando as possibilidades da fibrina como um material de adesão para reatar um
nervo rompido, várias tentativas tem sido feitas para unir tecidos biológicos com
técnicas diferentes à da sutura. Uma destas tentativas é a técnica de soldagem de
tecido com laser (MENOVSKY et al., 1995).
A união de tecidos sem uso de suturas já foi possível através de "colagem" dos
segmentos, utilizando seja uma substância estranha tal como cianocrilatos, ou
compostos naturais tais como trombina e fibrina. Potencialmente pode-se também
obter uma solda através do aquecimento do tecido, que pode ser alcançado por
resistência elétrica, fluido circulante, corrente de rádio frequência, microondas,
ultrasom, radiação óptica infra-vermelha ou laser (ANDERSON,1999; 1999).
12
Entre as opções de soldagem com calor, pode-se citar o método "Thermal Welding
System", descrito por KARATZIAS et al. (2005) como um novo instrumento cirúrgico
que utiliza calor e pressão para selar e dividir tecidos. Os desenvolvedores deste novo
instrumento térmico acreditam que os efeitos desejados de desnaturação de proteína
poderiam ser alcançados mais eficientemente através do uso de aquecimento direto
do tecido do que uma forma intermediária de energia – elétrica, ultrasônica, laser,
radiofrequência, etc.
A soldagem de tecidos já vem sendo estudada a cerca de mais de 30 anos. A principal
forma de soldagem utilizada até o momento tem sido o laser. A soldagem a laser de
tecido tem sido investigada para aplicações cirúrgicas durante estas mais de três
décadas (CONSTANTINESCU et al., 2007) e tem sido estudada nos mais diferentes
sistemas (BARRIERA et al., 2000).
As primeiras estruturas que foram unidas por laser foram vasos sanguíneos, e maior
parte do conhecimento e experiência na união de tecidos por soldagem é baseada em
experimentos com soldagem de tecidos vasculares. Outras estruturas tubulares tais
como intestino, uretra, e estruturas não-tubulares tais como pele e membrana do
tímpano tem sido unidas por vários sistemas de lasers (MENOVSKY et al., 1995).
O primeiro uso com sucesso de uma soldagem de tecido a laser de um pequenos
vasos sanguíneos foi em 1979, quando Jain and Gorisch fizeram um reparo em
incisões feitas em vasos sanguíneos de ratos com um laser Nd:YAG. Nos anos
seguintes, vários pesquisadores tiveram sucesso na utilização de diferentes
comprimentos de ondas e configurações do laser para utilização em anastomose
vascular (TALMOR et al., 2001).
As pesquisas realizadas até então envolveram os mais diversos tecidos – como seção
de raiz aórtica de ovelha (FENNER et al., 1994), artérias e veias porcinas (OTT et al.,
2001), intestino porcino (PRAHL e PEARSON, 1997), aorta bovina (MCNALLY et al.,
1999), colágeno tipo I de coelho e equinos (CONSTANTINESCU et al., 2007), tendão
de aquiles de bovino e pele de porcino (ANDERSON,1999; 1999), nervos, apêndice
atrial esquerdo (JAYAKAR et al., 2005), veia femoral de cachorro (SMALL et al., 1998)
– e também aplicações em procedimentos cirúrgicos – como tonsilectomia
(KARATZIAS et al., 2005), pieloplastia (BARRIERA et al., 2000).
13
Melhorias na qualidade da solda de tecido forma obtidas através da adição de um
soldante, usualmente contendo um cromóforo tal como indocianina verde, para
absorção de luz, e proteínas, na maior parte das vezes, serum albumina
(CONSTANTINESCU et al., 2007). A aplicação de cromóforos específicos para o
comprimento de onda do laser propicia uma absorção diferente entre a região tingida e
o tecido adjacente (MCNALLY et al., 1999), reduzindo os efeitos indesejados de dano
ao tecido adjacente à região de solda.
Nos experimentos realizados por OTT et al. (2001), os vasos soldados com laser de
diodo e albumina tiveram resistência bem maior que o uso exclusivo do laser Ho:YAG.
Os vasos soldados com laser de diodo de 808 nm utilizando albumina tiveram uma
resistência de 1 N comparado a 0,3 N do uso exclusivo do laser.
Porém, não há ainda uma explicação sobre como a soldagem do tecido ocorre. Uma
discussão mais detalhada sobre este assunto será feita na seção 3.5.
É crescente o número de pesquisas no sentido de desenvolver uma metodologia de
soldagem térmica do tecido biológico. E o que vem motivando o desenvolvimento da
soldagem do tecido em substituição à sutura são as várias vantagens potenciais que
ela pode oferecer quando se há a necessidade de unir ou reparar tecidos biológicos.
Estas vantagens e desvantagens são descritas com detalhes na próxima seção.
A maioria absoluta destas pesquisas é feita com o emprego do laser, que traz
vantagens adicionais na obtenção de uma boa solda.
3.4 Vantagens e desvantagens da solda em relação à sutura.
Várias são as vantagens do uso da solda apresentadas pelos pesquisadores, muitas
das quais são especificamente benéficas para os procedimentos cirúrgicos –
possibilidade de serem feitas endoscopicamente (OTT et al.,2001; TALMOR et
al.,2001), reduzem a possibilidade de aneurismas (OTT et al., 2001), desenvolvem
menos tecido cicatrizante (MENOVSKY et al.,1995; LA JOIE et al.,1996), melhor
recuperação no reparo de nervos (MENOVSKY et al., 1995). Estas vantagens não
serão discutidas em detalhes aqui, pois não teriam uma aplicação direta para o foco
deste trabalho, que é a bioprótese de válvula cardíaca. Portanto, seguem as demais
vantagens citadas pelos pesquisadores e que são interessantes para a bioprótese.
14
• A solda é menos traumática ao tecido. A sutura e agulha produzem um
trauma no tecido, pois a agulha tem que romper o tecido em vários pontos para
a passagem da sutura (BARRIERA et al.,2000; MCNALLY et al.,1999). Além
disso, depois de finalizada a sutura, os furos tornam-se concentradores de
tensão quando o tecido é solicitado, lembrando-se que a linha é praticamente
inelástica e tem que manter unido o tecido, que por sua vez é elástico.
• A solda produz um acabamento mais estanque, quando comparado à
sutura. Em aplicações como anastomose de vasos sanguíneos, por exemplo,
pesquisadores mostraram a grande vantagem da soldagem criar um
fechamento imediatamente estanque contra vazamentos, ou seja, reduz o
sangramento logo após a cirurgia (BARRIERA et al.,2000; MCNALLY et
al.,1999). Suturas podem vazar, o que pode causar complicações tais como
vazamento de fluido gástrico após cirurgia do intestino (ANDERSON,1999).
• Tempos menores de operação. Uma vez dominada a técnica de soldagem,
pode-se obter tempos muito menores de operação, quando comparadas à
sutura (FENNER et al.,1994; BARRIERA et al.,2000; ANDERSON,1999).
• Menor reação imunológica. Uma sutura é mais um corpo estranho que se
adiciona ao tecido operado, o que aumenta o risco de infecção ou reação
imunológica adversa (ANDERSON,1999; BARRIERA et al.,2000; MCNALLY et
al.,1999; FENNER et al.,1992). A solda utiliza o próprio material do tecido a ser
unido para promover a ligação das duas bordas.
• Potencial para desenvolver um processo automatizado. Nos casos de
fabricação de biopróteses que utilizam tecido animal, como é o caso das
biopróteses de válvulas cardíacas, a união dos tecidos é sempre feita através
de suturas. Este tipo de união demanda uma grande habilidade humana, o que
dificulta muito o desenvolvimento de um sistema automatizado. O
desenvolvimento de uma soldagem térmica pode tornar mais próxima a
possibilidade de se criar um processo automatizado, pelo menos em alguns
passos do processo de fabricação.
15
• Melhor acabamento e melhor precisão. FENNER et al. (1994) observou que,
seja pela técnica de desidratação ou laser, seja acima da temperatura de
desnaturação ou abaixo dela, a soldagem térmica do tecido pode criar uniões
de topo de alta qualidade, ao ponto de ser difícil de identificar a área que foi
soldada.
O procedimento de soldagem abre uma gama de possibilidades para pequenas
estruturas (por exemplo, pequenos vasos sanguíneos), cujo tamanho está
abaixo daquele acessível para técnicas comuns de sutura (OTT et al.,2001;
FENNER et al.,1994; TALMOR et al.,2001).
Há também, no entanto, efeitos indesejados da soldagem face aos bem estabelecidos
métodos de sutura. Estas desvantagens estão mais relacionadas ao fato de a
soldagem térmica do tecido ainda estar em fase de desenvolvimento. Estas incluem:
• Baixa resistência. Muitos estudiosos observaram que a solda resultante é
fraca quando comparada com a sutura. MCNALLY et al. (1999) e BARRIERA
et al. (2000) observaram que a anastomose feita através de solda a laser era
fraca, principalmente nos primeiros dias de recuperação. ANDERSON (1999) e
MENOVSKY et al. (1995) também observaram, em outras aplicações, que a
união resultante é fraca.
• Dificuldade técnica. Esta característica levantada por vários autores está mais
relacionado ao uso do laser. As dificuldades técnicas encontradas referem-se
ao difícil alinhamento do tecido (MCNALLY et al.,1999; BARRIERA et al.,2000),
falta de uma definição de um "ponto de finalização" (MCNALLY et al.,1999;
OTT et al.,2001), baixa reproducibilidade (MCNALLY et al.,1999; BARRIERA et
al.,2000; SCHERR et al.,1998), técnica muito dependente da habilidade do
cirurgião (LA JOIE et al.,1996).
No caso do alinhamento do tecido, uma solução seria colocar alguns poucos
pontos de sutura na região, mas adicionaria à união algumas das
desvantagens das suturas já discutidas anteriormente. A falta de definição de
um "ponto de finalização" está relacionada à dificuldade de saber o momento
ideal de interromper o fornecimento de calor à região de solda. Se o tempo for
muito curto, pode-se ter uma solda muito fraca. Se o tempo for muito longo,
pode-se causar maiores danos térmicos ao tecido.
16
Esta dificuldade técnica de alinhamento das bordas a serem soldadas tem
grande influência na resistência final da solda. Em OTT et al. (2001), por
exemplo, a soldagem a laser resultou em valores bem menores para veias –
cerca da metade – do que para artérias, exatamente porque o manuseio de
artérias é muito mais fácil do que o manuseio de veias devido à maior firmeza
da estrutura.
• Baixa reprodutibilidade. A baixa reprodutibilidade ainda é um problema para
esta nova técnica (MCNALLY et al.,1999; BARRIERA et al.,2000; SCHERR et
al.,1998). Porém a técnica de sutura, ainda que tenha melhor reprodutibilidade,
também sofre com variações causadas por fatores como posição da agulha em
relação ao tecido, ajustes feitos durante a sutura, espaçamento das suturas,
tensão dos nós, que são variantes dependentes do operador.
• Dano térmico ao tecido. Este é outro ponto discutido, principalmente quando
fala-se de soldagem a laser. O calor gerado pode danificar o tecido adjacente à
região da solda (MCNALLY et al.,1999; BARRIERA et al.,2000). A melhor
solução encontrada até agora para minizar este efeito, pelo menos quando a
solda térmica é feita através de um laser, é a utilização de cromóforos na
região da solda. Um cromóforo é uma substância que possui uma grande
absorção de calor para o comprimento de onda específico do laser utilizado.
Isto significa que o cromóforo concentra a maior parte da energia térmica na
região em que ele está presente, reduzindo consideravelmente a energia
térmica difundida para a região do tecido não tingida por ele.
• Mecanismo da solda ainda é desconhecido. Há ainda muita discussão sobre
o exato mecanismo que ocorre na solda por laser ou outras fontes de calor (LA
JOIE et al.,1996; FENNER et al.,1994; PRAHL e PEARSON,1997;
CONSTANTINESCU et al.,2007). Constantinescu cita que ainda que a solda
térmica de tecido tenha sido descrita pela primeira vez em 1964, e tem sido
investigada intensamente desde então, o mecanismo exato ainda permanece
não esclarecido.
17
3.5 Hipóteses sobre os mecanismos envolvidos na soldagem de tecidos.
Como já comentado na seção 3.2, o mecanismo envolvido na soldagem de tecidos
ainda não está completamente desvendado (FENNER et al.,1994; REISER et al.,1997;
SCHERR et al.,1998; PRAHL e PEARSON,1997; CONSTANTINESCU et al.,2007;
SMALL et al.,1998), ainda que várias hipóteses e estudos tenham surgido. Como o
mecanismo fundamental ainda permanece sem elucidação, chama-se a união de
tecidos biológicos de “soldagem”, “fusão”, “adesão” ou “colagem” (PRAHL e
PEARSON, 1997). Mas entre estes, o termo “soldagem” é o mais utilizado, por
analogia ao processo de união de materiais como aço, em que a união é feita através
da fusão do metal na interface e consequente resfriamento e solidificação deste.
Ainda que não esteja totalmente conhecido, avanços têm levado a um entendimento
melhor destes mecanismos (TALMOR et al., 2001).
Grande parte das pesquisas sobre a soldagem de tecido biológico foi feita utilizando-
se o laser com instrumento. Muitos dos autores acreditam que a soldagem ocorre por
um efeito térmico da irradiação do laser sobre o tecido, ou seja, a energia luminosa do
laser é convertida em calor quando absorvida pelo tecido, ou que o efeito térmico é um
dos fatores importantes para a ocorrência da união soldada (FENNER et al.,1994;
FENNER et al.,1992; PRAHL e PEARSON,1997; MCNALLY et al.,1999; LA JOIE et
al.,1996). As mudanças térmicas na estrutura molecular dos tecidos permitem que eles
seja unidos.
MENOVSKY et al. (1995) faz, em seu trabalho, um apanhado das várias hipóteses já
postuladas para explicar o mecanismo de soldagem do tecido através do laser. Estes
mecanismos propostos incluem desnaturação das proteínas estruturais, aceleração da
polimerização natural do fibrinogênio, fusão colágeno-colágeno, ligações cruzadas
entre proteínas, formação de ligações não-covalentes entre moléculas de colágeno, e
interdigitação de fibras de colágeno. Porém, ele ressalta que estes estudos tenham
sido realizados em diferentes tipos de tecidos com diferentes lasers e consideráveis
variações em doses de irradiação e luz. Além disso, a irradiação de laser no tecido
causa diversos efeitos e portanto uma teoria não exclui a outra.
18
SCHERR et al. (1998) menciona que durante uma investigação maior dos
mecanismos da soldagem a laser, tornou-se também aparente que diferentes tipos de
tecido, como por exemplo pele e vasos sanguíneos, são alterados de formas
diferentes. As alterações bioquímicas em um tecido podem não ser reproduzidas em
outro tipo de tecido. Isso pode ser explicado pelo fato do laser ter diferentes
características de penetração em diferentes tipos de tecidos, portanto diferentes graus
de energia térmica são aplicados. Ou seja, o mecanismo da soldagem de tecidos por
laser envolve alterações da sub-estrutura do colágeno através da energia térmica
gerada, seguida de ligações covalentes e eletrostáticas durante a "re-naturação" das
proteínas do tecido.
A natureza exata das ligações covalentes e eletrostáticas que conferem resistência à
solda ainda está pouco esclarecida. Há hipóteses, porém, de que as alterações
histológicas encontradas na matriz extra-celular ocorrem primeiro, seguidas das
ligações, tanto covalentes como eletrostátias, entre as proteínas dos tecidos. A
presença de ligações covalentes e de dissulfito em tecidos soldados termicamente foi
demonstrada por vários investigadores. Porém, ainda não foi esclarecido qual confere
a maior contribuição para a soldagem do tecido (SCHERR et al.,1998).
Além do maior consenso estar no efeito térmico da irradiação do laser na formação da
solda, há também um certo nível de consenso de que o elemento principal do tecido
envolvido nesta união seja o colágeno. CONSTANTINESCU et al. (2007) acredita que
o efeito principal da irradiação de laser nos tecidos seja alterações conformacionais
das moléculas de colágeno. Dois mecanismos foram discutidos: interdigitação de
fibrilas de colágeno, como já visto em estudo com microscopia eletrônica, sugerindo
mudanças na conformação 3-D das moléculas, e a indução de novas ligações
covalentes entre moléculas de colágeno. CONSTANTINESCU et al. (2007) ainda cita
que diferentes grupos analisaram a conformação 3-D de tecidos irradiados com laser,
reportando um afrouxamento e certa interação entre feixes de colágenos ou um
"desfiamento" de feixes de colágeno e subsequente interdigitação parcial.
Somente tecidos conectivos podem ser soldados, incluindo paredes vasos de sangue,
tendões, alguns músculos, pele, epineurium, nervos, uretra e intestino. Gordura e
tecidos com alto teor celular não podem ser soldados. Portanto, acredita-se que algum
tipo de colágeno esteja envolvido na formação da solda. (ANDERSON,1999)
19
WHITE et al. (1988) citam que soldagem a laser resulta na formação de ligaçoes
colágeno-colágeno e colágeno-elastina. Estudos anteriores associam o colágeno ao
processo de soldagem, onde fibras individuais desenrolam-se a temperaturas acima
da de desnaturação, e re-ligam-se com fibras de colágeno da superfície do tecido
aposto (PRAHL e PEARSON, 1997)
SCHERR et al. (1998) citam o trabalho de outros pesquisadores, que investigaram o
mecanismo de soldagem através de estudos histológicos e da composição
ultraestrutural em uma anastomose da artéria carótida e também da reconexão do
epineurium a um nervo. Eles encontraram várias alterações na matriz extracelular e na
sub-estrutura do colágeno que ocorreram como resultado da energia térmica liberada
pelo laser. Houve uma interdigitação das fibrilas colágenas, o que acredita-se ser a
base para o efeito de soldagem do tecido. Vários outros estudos confirmaram as
mesmas mudanças ultra-estruturais em diferentes tecidos. SCHERR et al. (1998)
completam que as mudanças histológicas envolvem ainda desnaturação da proteína, o
que leva ao desenrolamento das estruturas secundária e terciária do colágeno. Em
consequência desta desnaturação induzida pelo calor, acredita-se que ligações
disulfito eletrostáticas e covalentes promovem a resistência final na solda. SMALL et
al. (1998) também citam que mecanismos de ligações covalentes têm um importante
papel na soldagem com laser de argônio de estruturas vasculares.
ANDERSON (1999) também demonstra um mecanismo semelhante ocorrido através
da interdigitação das moléculas de colágeno. Ele entra em mais detalhes na questão
interfacial da solda. Em seu estudo ele utilizou tendão de aquiles de bovino e pele de
porcino. Ele juntou dois discos de 2 mm de espessura e colocou-os em um banho
maria a difrentes temperaturas e tempos. O melhor resultado ocorreu pelo
aquecimento a 60 oC por 30 minutos. Apenas 1 a 2 micrômetros das extremidades
livres das fibrilas fundiram-se no seu estudo. As demais fibrilas não desnaturaram-se.
Uma solda a 60oC leva a um entrelaçamento das extremidades livres das fibrilas
fundidas e desenroladas através do espaço entre as duas superfícies a serem
soldadas. Somente uma região de 2 micrômetros foi desnaturada, ainda que o tendão
tenha sido completamente aquecido uniformemente.
ANDERSON (1999) observou ainda que a temperaturas mais baixas (menor que 60
°C) não houve nenhuma mudança na estrutura fibrilar, e a temperaturas mais altas,
20
todo o disco do tendão foi afetado e encurtou resultando em soldas fracas e/ou
destruição do tecido.
Teorias propõem que o processo de ligação é principalmente térmico, mas trabalho de
FENNER et al. (1992) mostrou que a desidratação é um fator importante.
FENNER et al. (1994) fez um estudo interessante, que trouxe mais um elemento para
a busca pela compreensão do mecanismo de solda do tecido. Ele citou pesquisas de
outros autores que demonstraram que algumas uniões foram criadas com laser abaixo
da temperatura de desnaturação, o que leva a crer que a desnaturação não é o único
fator necessário na realização da solda. Em sua pesquisa ele postulou que, com o
efeito do calor, os sítios polarizados de moléculas de colágeno hidratadas,
normalmente ocupadas por água, são liberadas pela desidratação e promovem ligação
polarizada intercolágeno através dos novos sítios de ligação livres. Mesmo assim,
quando o tecido é sujeito a desnaturação, as ligações cruzadas moleculares da triple
hélice são quebradas e revelam ainda mais sítios de ligação, o que aumenta a força
de ligação.
CONSTANTINESCU et al. (2007) mostram porém que a solda não acontece com
colágeno puro. Eles realizaram testes com colágenos provenientes de coelhos e
eqüinos. Irradiação de laser em colágeno puro, com configurações de potência e
tempo de exposição geralmente utilizadas em soldagem de tecido por laser, não induz
ligações covalente entre moléculas de colágeno. Virtualmente nenhuma aderência das
camadas de colágeno puro foi observada após irradiação a laser. A tensão máxima do
colágeno equino puro soldado por laser foi praticamente nula independente das
potências de laser e irradiação aplicadas. Até o momento, permanece não esclarecido
até que ponto as moléculas de colágeno estão envolvidas na resistência mecânica, e
se alterações nas ligações covalentes são os únicos responsáveis pela solda a laser.
Soldagem a laser com tecidos com alta razão celular/matriz tais como pele, vasos
sanguíneos, submucosa intestinal e rim demonstraram uma tensão máxima superior
após a soldagem. Estas observações levantam a questão se componentes do
citoplasma intracelular talvez sejam os que trazem os "ingredientes" necessários para
a conexão do tecido.
21
OTT et al. (2001), que estudaram a soldagem de tecidos através do laser, acreditam
que o tecido irradiado pelo laser é termicamente coagulado e o coágulo forma uma
massa adesiva. Este coágulo mantem as duas bordas unidas. Estudos feitos na
estrutura do colágeno após a soldagem mostraram que a organização estrutural
normal é perdida, com um certo inchamento e desorganização das fibrilas do
colágeno, formando um coágulo de proteínas desnaturadas. Os experimentos
revelaram que o colágeno termicamente coagulado é um importante componente na
fusão térmica do tecido.
Nota-se também uma divergência sobre a importância ou não da desnaturação da
proteína colágeno sobre a solda. SCHOBER et al. (1986), por exemplo, reportam uma
alteração na estrutura do colágeno após a soldagem, o que leva a crer que a
desnaturação é necessária para a solda. Por outro lado, KOPCHOK et al. (1988) e
WHITE et al. (1988) citam que algumas uniões foram criadas laser de argônio abaixo
da temperatura de desnaturação, o que leva a crer que a desnaturação não é
necessária.
KARATZIAS et al (2005) também citam a desnaturação como fator importante para
ocorrer a soldagem quando utilizando o método TWS (Thermal Welding System). O
TWS utiliza um elemento aquecedor na ponta do instrumento combinado com pressão
para desnaturar as moléculas de proteína dentro do tecido. O tecido é espremido entre
os mordentes isolados e calor concentrado é aplicado na região local. As moléculas de
proteína no tecido são desnaturadas e fundidas umas às outras, formando um selo
estanque. Calor mais altamente focado é aplicado no centro do tecido entre os
mordentes do instrumento, de forma a minimizar o efeito nas estruturas próximas.
MENOVSKY et al. (1995) reforçam ainda que as temperaturas nas quais a soldagem a
laser teve maior sucesso foram na faixa de 60 a 120 °C. Estas temperaturas estão
acima da temperatura de desnaturação do colágeno, que é em torno de 65°C e na
qual 50% da estrutura é perdida e as moléculas alcançam sua transição para a fusão
fibrilar.
22
3.6 Fixação química do tecido e sua importância após o processo de
soldagem.
O assunto "Fixação de Tecido" está incluso neste estudo pois ele será um fator
importante na estabilização da solda realizada no tecido biológico.
A fixação química é, basicamente, sujeitar o tecido a um agente que promove ligações
cruzadas entre as moléculas de colágeno presente no tecido. Isso é importante
quando trabalha-se com tecidos biológicos na produção de biopróteses e deseja-se
que o tecido não se degrade com o tempo. As ligações cruzadas promovem uma
estabilização da estrutura interna do tecido e aumentam a sua resistência.
A ligação cruzada com glutaraldeído de fibrilas de colágenos reconstituídas ou nativas
de tecidos ricos em colágeno reduz significativamente a biodegradação (NIMNI,1988).
ANDERSON (1999) menciona em seu trabalho que criar ligações cruzadas no
colágeno na solda, após aquecimento, propicia um efeito que leva a resistências à
ruptura muito aumentadas, porque ligações covalentes são adicionadas às ligações
fracas não-covalentes envolvidas. Ele ainda observa em seu trabalho que ligações
cruzadas aumentam a tensão à ruptura da solda por um fator adicional de 5 após a
soldagem térmica. Por outro lado, criar ligações cruzadas antes do aquecimento reduz
ou realmente evita a soldagem, porque as fibrilas do colágeno ficam impossibilitadas
de fundir-se após a ligação cruzada.
ANDERSON (1999) ainda cita que estudos preliminares mostraram que a soldagem
térmica simples está sujeita à ação de enzimas como a tripsina, a qual hidrolisa
colágeno desnaturado, mas não colágeno helicoidal ou nativo. Com a ligação cruzada
química, porém, as soldas ficam mais resistentes a proteases, incluindo colagenase.
A forma mais empregada atualmente para promoção de ligações cruzadas é a
utilização de soluções de glutaraldeído. Há outras formas de se promover ligações
cruzadas, como através da aplicação de radiação ultra-violeta na área de contato
(ANDERSON,1999) ou outros agentes, como o formaldeído. Mas o glutaraldeído é o
que promove ligações cruzadas mais estáveis.
23
Como já havia sido constatado que o formaldeído não poderia ser um bom agente
formador de ligações cruzadas, iniciaram-se estudos com vários outros agentes para
se encontrar um que pudesse estabilizar a estrutura de colágeno com sucesso.
Válvulas aórticas porcinas com músculo e tecido conectivo foram tratadas com vários
aldeídos, incluindo formaldeído, acetaldeído e glutaraldeído, sob diversas condições e
temperatura e pH. Ao serem submetidas a água corrente em temperatura ambiente,
os tecidos tratados apresentaram degeneração estrutural microscópica e
macroscópica, com exceção daquelas tratadas com glutaraldeído sob pH neutro. O
efeito do glutaraldeído na fixação do tecido é comparado à do formaldeído, porém este
representa uma classe de agentes formadores de ligações cruzadas que não geram
ligações intermoleculares estáveis (NIMNI,1988).
A ligação cruzada com glutaraldeído de fibrilas de colágenos reconstituídas ou nativas
e tecidos ricos em colágeno reduz significativamente a biodegradação. Outros
aldeídos são menos eficientes que o glutaraldeído em gerar ligações cruzadas
estáveis termicamente, biologicamente e quimicamente. (NIMNI,1988)
A resistência da solda após a fixação química vai também depender de fatores como
concentração do glutaraldeído e tempo de exposição.
NIMNI (1988) fornece várias e importantes pistas sobre a utilização deste agente
fixador. Segundo este pesquisador o tempo de fixação e concentração de
glutaraldeído são importantes na determinação da natureza da rede de ligações
cruzadas criada:
• O glutaraldeído a 2% penetra o tecido a uma profundidade de 0,7 mm em 3h à
temperatura ambiente, e a fixação adequada ocorre somente a 0,5 mm no
mesmo período de tempo. Após 24 h, o glutaraldeído penetra a uma
profundidade de 1,5 mm, enquanto a fixação adequada ocorre a somente 1
mm de profundidade.
• A penetração à temperatura ambiente (25ºC) é mais rápida do que em
temperaturas mais baixas.
24
• Altas concentrações devem criar as ligações cruzadas somente na superfície
das fibras de colágeno. Isso deve ocorrer por causa da rápida polimerização
que atrapalha a molécula de glutaraldeído de acessar os sítios internos das
fibras de colágeno mais largas ou por criar sítios de nucleações nos quais
moléculas adicionais de glutaraldeído podem se ligar. Estudos utilizando
pericárdio indicam que a fixação inicial do colágeno por glutaraldeído ocorre na
superfície das fibras.
3.7 Metodologia e resultados obtidos com as soldas.
Nesta seção foram relacionados os resultados obtidos e as metodologias utilizadas por
alguns pesquisadores na obtenção de soldas térmicas de tecidos biológicos. Os
resultados estão resumidos e organizados na Tabela 3-1, onde todos os resultados
foram convertidos para uma só unidade (MPa). Esta tabela será útil para a
comparação dos diversos dados entre si e com os resultados obtidos durante os
experimentos realizados neste trabalho.
ANDERSON (1999) soldou materiais contendo colágeno, como tecido conectivo
biológico contendo colágeno tipo I. Mais especificamente, ele soldou tendão de aquiles
de bovino, fresco e pele de porcino, fresca. Os dois tecidos foram cortados em discos
transversais de 2 mm de espessura, os quais foram colocados entre duas lâminas de
microscópio seladas e ligeiramente clampeadas e imersas em um banho maria a
diferentes temperaturas e diferentes tempos. O melhor resultado ocorreu pelo
aquecimento a 60 oC por 30 minutos. Depois da remoção do banho maria, algumas
amostras foram bruscamente resfriadas ("quench") por imersão em um segundo
banho a diferentes temperaturas, abaixo de 0 °C. As soldas mais fortes foram obtidas
após o resfriamento brusco.
Aquecendo o tecido na temperatura entre 60 e 62 °C, a resistência à tensão da solda é
cerca de 4 a 5 vezes mais forte que com outras técnicas de soldagem. O método
produz consistentemente soldas com resistência maior que 1 kgf/cm
2
(0,1 MPa),
quando soldas feitas a, por exemplo, acima de 70 °C, tem resistência menor que 0,2
kg/cm
2
.
ANDERSON (1999) faz também uma interessante observação sobre as variações no
tempo e temperatura. Em geral, a temperatura necessária vai diminuir apenas
25
ligeiramente, por exemplo, um ou dois graus, para um aumento de 10 vezes no tempo
de solda, para se obter resultados semelhantes. Por exemplo, se a temperatura por 30
minutos para aquecer um certo material é 60 °C, será 61 ou 62 °C para um
aquecimento de 3 minutos do mesmo material.
Num outro teste feito ainda durante os experimentos de ANDERSON (1999), oito
discos de tendão bovinos foram aquecidos a 62 °C por 10 minutos. As soldas obtidas
tiveram uma tensão de ruptura de 200 (± 50) g/cm
2
(0,02 MPa). Outra oito amostras
aquecidas na mesma temperatura foram tratadas com glutaraldeído a 1% por 12 horas
e então rinsadas. As soldas obtidas tiveram uma tensão de ruptura de 950 (± 300)
g/cm
2
(0,95 MPa).
Para aumentar ainda mais a tensão de ruptura da solda, esta pode ser uniformemente
e rapidamente resfriada, ou "quenched", imediatamente após o aquecimento. Um
método é a perfusão ou aspersão no sítio da solda com solução salina fisiológica
gelada imediatamente após a solda está completa. Este "quenching" força interações
maiores na solda para aumentar a resistência da solda por um fator de
aproximadamente 2.
FENNER et al. (1994) também obtiveram alguns resultados com solda térmica de
tecido. Porém, ao invés de mergulhar o tecido a ser soldado em uma solução numa
temperatura definida, o tecido foi exposto ao calor de uma estufa. O objetivo era
investigar, através de comparação das propriedades das ligações criadas, a solda
criada através de um processo de desidratação com a solda feita por laser. FENNER
et al. (1994) concluiu que as anastomoses criadas por desidratação eram equivalentes
àquelas criadas por laser, com poucas diferenças em resistência, histologia e resposta
à reidratação. A única diferença significativa foi a média da resistência mecânica das
soldas criadas acima da temperatura de desnaturação do tecido.
FENNER et al. (1994) utilizou uma seção de raiz aórtica de aproximadamente 2 cm de
comprimento, retirada de coração fresco de ovelha. A seção da raiz foi aberta e
congelada. Com a utilização de um micrótomo, seções de aproximadamente 140
micrômetros foram cortadas. Estas seções finas foram então cortadas em amostras
retangulares. Uma incisão de 15 mm foi feita no centro da amostra com uma lâmina
afiada.
26
A amostra foi então posicionada sobre uma lâmina de vidro e as faces da incisão
foram apostas com o auxílio de um microscópio, para garantir uma boa aposição ao
longo da extensão da incisão. Amostras cuja aposição das bordas não era perfeita
eram descartadas.
Tiras de papel toalha foram afixadas cobrindo a amostra a até 1 a 2 mm de distância
da linha da incisão no tecido. As outras extremidades destas tiras de papel toalhas
eram então imersas numa solução salina para manter o restante do tecido hidratado. A
solução migrava para o tecido por capilaridade.
O primeiro grupo de dados obtidos por FENNER et al. (1994) comparava a resistência
da ligação em soldas criadas à temperaturas abaixo da de desnaturação por ambos os
métodos (laser e estufa). O coeficiente de variação nos valores é alto, e eles
atribuiram uma parte deste erro à dificuldade de calcular a espessura correta para
medição da área de soldagem. O grupo soldado com laser teve uma resistência de
234 g/cm
2
(0,023 MPa) e o grupo soldado na estufa uma resistência média de 288
g/cm
2
(0,029 MPa).
O próximo grupo foi soldado à temperatura acima da de desnaturação. O grupo
soldado na estufa apresentou uma resistência média de 994 g/cm
2
(~0,1 MPa) e o
grupo soldado a laser apresentou uma média mais baixa, de 548 g/cm
2
(0,055 MPa).
Isoladamente, uma das amostras soldadas na estufa conseguiu um resultado bem
maior que as médias, cerca de 2400 g/cm
2
(~0,24 MPa). Em temperaturas acima da
de desnaturação uma ligação mais forte ocorre – é cerca de 2 vezes mais forte – , mas
o dano ao tecido é considerável – desnaturação.
FENNER et al. (1994) também investigou o efeito da re-hidratação do tecido soldado.
O tecido soldado a laser na temperatura abaixo da de desnaturaçao foi re-hidratado
por 23 min, e gerou tensões de resistência de 234 g/cm
2
(0,023 MPa), enquanto o
grupo re-hidratado por 5 h gerou tensoes bem menores, resultando numa média de
101 g/cm
2
(0,01 MPa). A influência da re-hidratação na resistência da solda foi
também observada por OTT et al. (2001). Ele notou que os vasos soldados com o
laser de diodo e albumina mostraram valores de resistência à tração menores para as
amostras hidratadas por 24 horas – cerca de metade do valor. Uma possível razão
pode ser o destacamento parcial do soldante do tecido, como já havia sido
27
domonstrado em outros estudos. Para determinar a influência da hidratação na
resistência da solda a laser, as amostras foram mantidas por um dia em solução salina
à temperatura ambiente antes de serem submetidas ao ensaio de tração.
Como controle, FENNER et al. (1994) mediu a tensão de ruptura do tecido íntegro,
sem solda. Ele encontrou uma média de 2350 g/cm
2
(0,24 MPa). O tecido original é
cerca de 10 vezes mais resistente que aquele unido por desidratação abaixo da
temperatura de desnaturação, e 5 vezes mais que o unido acima da temperatura de
desnaturação.
CHIVERS et al. (2000) utilizou aorta de porcinos, exatamente o tecido que é o foco
deste trabalho.
As aortas, removidas de corações de porcinos, foram abertas e cortadas em tiras de
40 a 50 mm de comprimento por 10 mm de largura. O tecido recebeu um corte, no
qual foi adicionado 10 microlitros de soldante, composto do cromóforo indocianina
verde e de albumina bovina. A solda foi realizada com a irradiação de um laser de
diodo. Após a soldagem, o tecido foi colocado entre duas folhas de papel-toalha por
uma hora, antes do ensaio de tração. Foram testadas várias potência diferentes do
laser.
Em sua pesquisa PRAHL e PEARSON (1997) executaram a soldagem de intestino de
porcino por imersão em um banho maria em temperaturas em torno de 60 a 80 °C por
sete minutos. Também realizou soldas com laser. As duas partes eram unidas por
superposição, tal que a área superposta tinha 25 mm
2
. Para o tecido soldado em
banho-maria, obtiveram-se forças de ruptura que variaram entre cerca de 20 e 180 gf,
o que equivale a valores entre 0,008 e 0,071 MPa. Os experimentos com laser
levaram a valores ainda menores, entre 10 e 60 gf, correspondendo a 0,004 e 0,024
MPa.
BARRIERA et al. (2000) obtiveram alguns valores de resistência nas soldas
associadas à pressão anastomótica de ruptura – a pressão com a qual o vaso soldado
começaria a vazar – o que não pode ser comparado com os dados de resistência
mecânica, obtidos pelos outros pesquisadores e também que serão analisados neste
trabalho. O mesmo se aplica a SCHERR et al. (1998)
28
OTT et al. (2001) obteve valores de resistência mecânica em N para suas artérias e
veias soldadas. Como não se sabe a área de solda, não é possível calcular a tensão
em MPa e, portanto, estes valores não serão úteis como referência para o trabalho. O
mesmo se aplica para MENOVSKY et al. (1995), com valores em g para o reparo de
nervos com laser de CO
2
.
29
Tabela 3-1 - Resumo dos resultados de tensão de reisistência obtidos por alguns
pesquisadores
Referência Tecido utilizado Método
Temp.
(oc)
Tempo
(min.)
Resistência
mecânica
média (MPa)
Imersão em solução. 60 30 > 0,1 MPa
Imersão em solução. 62 10 0,02 MPa
ANDERSON (1999)
Tendão de
aquiles de bovino
e pele de porcino
Imersão em solução.
Depois fixado com
glutaraldeído a 1%
durante 12 horas.
62 10 0,95 MPa
Laser de argônio 36 7,5 min 0,023 MPa
Exposição ao calor em
uma estufa
36 24 h 0,029 MPa
Laser de argônio 70 7,5 min 0,055 MPa
Exposição ao calor em
uma estufa
70 24 h 0,1 MPa
Laser de argônio, com
re-hidratação por 23
min.
36 7,5 min 0,023 MPa
Laser de argônio, com
re-hidratação por 5 h
36 7,5 min 0,01 MPa
FENNER et al. (1994)
Seção de raiz
aórtica de ovelha
Tecido íntegro, sem
solda
NA NA 0,24 MPa
CHIVERS et al. (2000) Aorta de porcino
Laser de diodo, 225
Joules
Não
medido
~ 1 min 0,11 MPa
Banho-maria 60-80 °C 7 min
0,008 a 0,071
MPa
PRAHL e PEARSON
(1997)
Intestino de
porcino
Laser de diodo
Não
medido
Não
informado
0,004 a 0,024
MPa
30
4 METODOLOGIA
4.1 Preparação da amostra.
O material utilizado para os experimentos, conforme já citado, foi a parede do
segmento aórtico de porcinos, matéria-prima utilizada na fabricação de biopróteses de
válvulas porcinas.
O segmento aórtico é fornecido por frigoríficos – que são certificados pelo Ministério
da Agricultura e são os mesmos que fornecem carnes para alimentação – para a
empresa que fabrica as biopróteses, que faz a coleta do material, conserva-o em
solução de álcool benzílico a 0,5% e o encaminha com até 6 dias para a linha de
processamento. Na fábrica, estes segmentos aórticos são abertos (ficam com a
aparência da foto "A" na Figura 4-1) e os folhetos deste segmento aórtico são
avaliados quanto à qualidade, tamanho, presença de defeitos, etc. Aqueles segmentos
cujos folhetos não podem ser aproveitados são descartados. A parede da aorta destes
segmentos, porém, está em sua maioria em bom estado, servindo perfeitamente para
o propósito deste trabalho.
O segmento aórtico é então cortado e limpo, para ser preparado para a exposição à
temperatura na câmara climática (Figura 4-1). Primeiro, separa-se a região do
segmento que possui os folhetos, que é descartada ("B" na Figura 4-1). A amostra fica
então com um formato retangular de aproximadamente 40 x 15 mm (Pode variar
bastante de acordo com o tamanho do segmento aórtico ou da forma como o
segmento foi cortado no frigorífico ou no recebimento de materiais da empresa). A
superfície externa da parede aórtica normalmente possui uma certa quantidade de
gordura aderida ("C" na Figura 4-1), cujo excesso é retirado ("D" na Figura 4-1). O
tecido é invertido de tal forma que a superfície interna da parede aórtica fique virada
para cima (e portanto será a camada em contato mais direto com o ar aquecido da
câmara climática). Um corte de aproximadamente 15 mm é feito no centro do tecido
(representado em "E" pela linha preta desenhada sobre a foto do tecido, na Figura 4-1.
Veja também desenhos 2 e 3 na Figura 4-2). Este corte deve ser feito com um bisturi
com lâmina nova.
31
Figura 4-1 - Processo de limpeza do segmento aórtico para o processo de soldagem
térmica
4.1.1 Preparação da amostra para o processo de solda térmica em estufa.
A principal forma de preparação das amostras, descrita nesta seção, é baseada
naquela desenvolvida por FENNER et al. (1994), com algumas alterações.
Após o corte, a amostra foi presa a uma placa de silicone com agulhas. As agulhas
foram posicionados a cerca de 2 mm da linha do corte (Desenho 4 da Figura 4-2). O
objetivo das agulhas era manter as bordas do tecidos em contatos durante à
exposição ao calor. Se o tecido com o corte é simplesmente exposto ao calor, as
bordas afastam-se uma da outra devido ao encolhimento do tecido, e a soldagem
portanto não acontece. Esta é uma diferença importante com relação ao experimento
de FENNER et al. (1994), que não utilizou nenhum método para manter as bordas
criadas com a incisão unidas. Como no estudo de FENNER et al. (1994) a espessura
do tecido estudado era bem menor, talvez não houvesse a necessidade de ancorar as
bordas. No caso deste estudo, em que o tecido fresco tem entre 1 e 2 mm de
espessura, a ancoragem foi necessária. Testes preliminares mostraram que o tecido
encolhe e afasta as bordas criadas com a incisão. Esta opção de ancoragem das
bordas será denominada neste trabalho por "ancoragem com agulha".
32
Uma opção, também testada, de união das bordas do tecido biológico foi posicionar a
amostra com a incisão sobre a placa de silicone e enrolar uma linha em torno do
conjunto, o que manteve as bordas unidas (Figura 4-3). Esta segunda opção de
estabilização da posição das bordas será denominada "ancoragem com linha".
Duas tiras de papel toalha foram fixadas com uma fita adesiva à placa de silicone onde
se encontrava o tecido. Esta tira de papel toalha cobriu o tecido biológico até a linha
dos alfinetes e tinha o aspecto da Figura 4-4.
O conjunto foi então colocado sobre a boca de um frasco plástico ou outro recipiente
cheio de água, de tal forma que as extremidades livres das tiras dos papéis-toalha
ficassem mergulhadas na água (Desenho 5 na Figura 4-2). Por capilaridade, a água
migrava para a região do tecido biológico coberto com o papel toalha. O objetivo era
que somente a região do corte fosse desidratada pela ação do calor, mas que a região
vizinha não sofresse um impacto tão grande.
33
Figura 4-2 - Preparação da amostra para exposição ao calor
34
Figura 4-3 - Opção de fixação do tecido biológico à placa de silicone com linha
Figura 4-4 - Aspecto do conjunto após a fixação do tecido com alfinetes e fixação das
tiras de papel-toalha
35
Finalmente, a amostra preparada foi colocada na estufa, submetida à temperatura,
umidade e tempo definidos na seção 4.2.
A estufa utilizada no experimento foi a seguinte:
• Tipo: Câmara climática.
• Fabricante: Visome
• Modelo: Plus
• Faixa de temperatura: 10ºC a 60ºC
• Faixa de umidade: 10% a 100%
Ainda conforme definido na seção 4.2, algumas amostras foram imersas em diversas
concentrações de glutaraldeído e formaldeído, que são agentes fixadores do tecido
biológico, para avaliação do efeito da fixação por ligação cruzada na resistência
mecânica da solda. Algumas amostras também foram mergulhadas em solução salina,
para avaliação da re-hidratação da amostra sobre a solda criada na estufa.
Para avaliação dos resultados por comparação, foram avaliados também um tecido
íntegro (ou seja, sem solda) e um outro unido por suturas.
4.1.2 Preparação da amostra para exposição à temperatura por imersão
em líquido aquecido.
Algumas amostras foram imersas em água aquecida. Como referência para o teste,
foram utilizados os mesmos parâmetros definidos no trabalho de ANDERSON (1999),
no qual os melhores resultados foram obtidos para a temperatura de 60 °C por 30
minutos.
A preparação foi semelhante à descrita para o experimento na estufa. Ou seja, a
seção da raiz aórtica recebeu um corte no centro e a amostra foi preparada tal que as
bordas da região da incisão mantivessem-se em contato durante todo o experimento.
As amostras foram imersas em um béquer com água e o aquecimento ocorreu através
de uma placa de aquecimento. A temperatura foi monitorada através da utilização de
um termômetro de bulbo imerso no mesmo béquer.
36
4.2 Parâmetros de temperatura, tempo, re-hidratação e fixação dos
experimentos.
4.2.1 Variação da temperatura e umidade
Testes preliminares foram feitos em uma estufa na qual a umidade não podia ser
controlada. Várias temperaturas diferentes foram tentadas (entre 30 e 60 °C) sem
alcançar resultados expressivos. Alguns testes foram então feitos em uma estufa com
controle de umidade ("câmara climática") e observou-se que com este controle
alcançavam-se resultados muito melhores. Os testes preliminares também mostraram
que valores em torno de 40 °C combinados com uma umidade em torno de 35%
produzem os melhores resultados.
Para analisar o efeito da temperatura e umidade na solda do tecido, os seguintes
valores foram testados. Em todos os experimentos, a duração da soldagem foi de 24
horas, como feito em FENNER et al. (1994).
À temperatura de 40 °C, foram comparados os resultados a 30%, 35% e 40% de
umidade relativa.
Mantendo fixa a umidade de 35%, foram comparados os resultados a 30°C, 40°C e
50°C.
4.2.2 Efeito da fixação com glutaraldeído do tecido soldado
Os resultados obtidos no item anterior foram comparados com novas amostras
soldadas nas mesmas condições, porém submetidas à fixação química por imersão da
peça soldada em glutaraldeído.
Além de comparar a peça soldada sem fixação química com a amostra fixada
quimicamente, também foram testadas soluções com diferentes concentrações de
glutaraldeído - 0,65%, 1% e 2,5% - e dois períodos diferentes de exposição ao
glutaraldeído – 24 horas e 15 dias.
A expectativa era que o glutaraldeído aumentasse a resistência da solda, assim como
ocorreu com o próprio tecido e também como foi observado por ANDERSON (1999).
37
4.2.3 Avaliação da re-hidratação do tecido soldado.
O foco do trabalho é verificar se a solda tem um potencial de aplicação em uma
bioprótese cardíaca. Esta bioprótese estará em constante contato com diversas
soluções aquosas durante sua fabricação e armazenamento e, depois de implantada,
em contato com o sangue. Portanto, foi necessário avaliar o efeito da re-hidratação na
resistência mecânica da solda criada.
Após o processo de soldagem, a amostra foi submersa em solução salina 0,9% por 1
h e por 24 h. O teste foi feito com as amostras fixadas e as não fixadas quimicamente
com glutaraldeído.
4.2.4 Variação do tempo de exposição ao calor na estufa
Foi realizado o processo de soldagem na estufa aumentando o tempo de exposição ao
calor para 48 horas. Os resultados foram comparados com aqueles produzidos com
soldas fabricadas na estufa por 24 horas. Foram comparadas também amostras não
fixadas e fixadas quimicamente com glutaraldeído.
4.2.5 Comparação da resistência mecânica do tecido soldado com o
tecido suturado e com o tecido íntegro
Compararam-se a resistência mecânica média obtida para o tecido soldado com os
valores obtidos para a amostra unida por sutura e com a amostra íntegra.
4.2.6 Experimentos preliminares
Outros experimentos preliminares realizados.
4.2.6.1 Soldagemcomtecidojáfixado.
Antes do processo de soldagem na estufa, executou-se a fixação química do tecido
em glutaraldeído 0,65%, por 24 horas. Após a fixação química, procedeu-se à
soldagem na estufa a 40 °C e 35% de umidade, por 24 horas, nas mesmas condições
das soldas feitas nos itens anteriores. Nenhuma das 4 amostras apresentou qualquer
adesão.
38
A ausência de adesão se deve ao fato de que com a fixação química as fibrilas do
colágeno ficam impossibilitadas de rearranjar-se após a ligação cruzada
(ANDERSON,1999; 1999). Fica evidente que além da reatividade induzida pela
desidratação parcial do colágeno, há a necessidade de mobilidade molecular para que
as novas interações sejam efetivamente realizadas.
4.2.6.2 Soldagemàtemperaturaambiente
Para responder a questão se a simples desidratação do tecido é o suficiente para
gerar uma ligação nas bordas do tecido a soldar, 4 amostras foram preparadas para a
soldagem tal como nos itens anteriores. Porém, ao invés de serem submetidas à
desidratação numa estufa com temperatura e umidade controladas, foram deixadas
numa sala, à temperatura ambiente, por 24 horas. A temperatura da sala estava em
torno de 21 °C. Nenhuma adesão foi observada nas amostras.
4.2.6.3 Soldagemsomentecomglutaraldeído
Para investigar se o glutaraldeído é capaz de criar uma ligação entre as bordas do
tecido pela simples ação de fixação química, 4 amostras preparadas para solda, tal
como nos itens anteriores, foram mergulhadas diretamente em glutaraldeído 0,65%,
por 48 horas. Ou seja, estas amostras não passaram pelo processo de desidratação
na estufa. Após o experimento, nenhuma adesão foi observada em nenhuma das 4
amostras.
Ainda que as superfícies apostas estejam o mais próximo possível uma das outra, a
nível molecular ainda haja uma distância que impeça a ligação cruzada entre
moléculas de ambas as superfícies.
4.2.6.4 Aposiçãoforçadadasbordasaseremsoldadas
Tentou-se uma variação da preparação da amostra, visando aumentar a pressão entre
as bordas a serem soldadas no tecido. As parte de cima das quatro agulhas que
ancoram o tecido na placa de silicone foram unidas com o auxílio de uma fita adesiva.
39
Após o processo de soldagem na estufa por 24 horas, a 40 °C e 35% de umidade
relativa, tal como nos experimentos anteriores, notou-se que a adesão resultante era
praticamente nula – a simples manipulação das amostras já causava a quebra da
solda resultante.
A aproximação mais forçada cria uma pressão maior na interface mas desalinha as
superfícies a serem soldadas (Figura 4-5), atrapalhando a ocorrência de uma boa
solda.
Figura 4-5 - Preparação da amostra para solda com aposição forçada
4.2.6.5 Solda com aplicação direta de calor no tecido através de metal
aquecido
Para testar a hipótese de que a união poderia ocorrer por fusão do material das bordas
apostas, tentou-se a solda através da aplicação direta de calor na região de solda
através de um metal aquecido.
No primeiro experimento, utilizou-se a ponta de um ferro de solda.
40
Duas tiras do parede aórtica, de aproximadamente 10 x 40 mm, foram sobrepostas por
uma área de aproximadamente 10 x 10 mm. A ponta do ferro de solda foi forçada
sobre a área de sobreposição, de forma a atravessar as duas tiras e foi ligada para
iniciar o aquecimento. A intenção é que o material em torno da ponto do ferro de solda
fundisse e criasse uma solda naquela região.
O que observou-se é que o material degradava (ficava negro) e não fundía-se, ou a
fusão era pouca, e o resultado era praticamente nenhuma adesão.
O mesmo foi tentado numa prensa térmica. O material sobreposto foi colocado na
prensa de tal forma que a pressão era aplicada ortogonalmente ao plano de
sobreposição das duas tiras.
Tentou-se pressões entre 0,5 e 2 toneladas, e temperaturas – medidas com um
termopar posicionado ao lado da amostra – variando entre 70 e 150 °C. O tempo de
aquecimento e pressão variou também entre 3 e 30 minutos. Em nenhuma das
diversas combinações de pressão, temperatura e tempo foi observada qualquer
adesão entre as partes. A única alteração que se observava era uma deformação
plástica do material na região da sobreposição.
Este experimento reforça a hipótese de que a soldagem ocorre simplesmente pela
formação de ligações químicas entre moléculas e não pela fusão do material.
4.3 Análise das soldas
4.3.1 Análise visual
Após a soldagem, foi verificada visualmente a região observando:
• Acabamento.
• Homogeneidade da solda.
41
• Qualquer alteração no tecido, como mudança de cor, alteração na flexibilidade
e alterações dimensionais.
Foi feito um corte ortogonal à linha da solda e os mesmos tipos de observações
visuais foram realizadas na região da solda ao longo da espessura do tecido.
4.3.2 Ensaios de Tração
Após a soldagem, a amostra foi cortada nas laterais de modo que o corte fosse
perpendicular ao corte feito antes da solda (Figura 4-6). Desta forma, obteve-se uma
amostra tal que a linha de solda atravessava toda a largura da mesma.
Figura 4-6 - Corte na amostra para o ensaio de tração
A amostra foi então colocada num equipamento de ensaio de tração universal (EMIC
DL3000). Garras apropriadas para o material foram usadas para segurar cada uma
das duas partes soldadas, tal que a tração ocorresse na direção ortogonal à linha da
solda (Figura 4-7).
42
Figura 4-7 - Configuração do ensaio de tração da amostra soldada.
4.3.3 Análise no Microscópio Eletrônico de Varredura Ambiental
Uma amostra foi preparada para análise no MEV ambiental. Como um MEV ambiental
foi utilizado, não foi necessário desidratar a amostra ou proceder com a preparação
normalmente necessária para análise em um MEV convencional.
Para garantir a estabilidade da solda no envio da amostra para o laboratório onde foi
feita a análise, a mesma ficou imersa em glutaraldeído 0,65%.
Uma amostra menor foi cortada da amostra original produzida conforme descrito na
seção anterior, para facilitar a visualização no microscópio (Figura 4-8).
Foi utilizado o seguinte microscópio:
• Tipo: Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) Ambiental
• Fabricante: FEI Company
• Modelo: Quanta 400
• Pressão da câmara: ~0,83 Torr para baixo vácuo; ~1x10-5 Torr para alto
vácuo.
• Voltagem de aceleração: vários KV.
43
• Localização: Laboratório da St. Jude Medical, unidade de Woodridge, St. Paul,
MN, Estados Unidos.
Figura 4-8 - Sub-seção a-b da amostra original para observação no MEV
O uso do MEV ambiental teve como objetivo a obtenção de imagens da região da
solda, principalmente na interface entre as duas bordas, para observar como o tecido
comporta-se fisicamente naquela região, tentando obter informações sobre o
mecanismo de soldagem. Foi também analisado como as duas bordas mantiveram-se
unidas.
4.3.4 Análise com Microscopia Raman
A preparação de amostra para análise em microscopia Raman exigiu que esta não
fosse submetida ao processo de fixação química, pois grupos aldeídos atrapalham a
análise. Tão logo a amostra foi soldada na estufa, esta foi levada para o laboratório
para análise.
Uma amostra de tecido fresco também foi avaliada, para comparação com o tecido
desidratado.
4.3.5 Encurtamento e Análise Histológica
Encurtamento do tecido biológico e análise histológica também poderiam fornecer
informações úteis à análise da solda, mas esta técnicas não foram utilizadas.
44
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Análise visual das soldas
Ao fazer a análise visual das soldas, na maioria delas as seguintes observações foram
feitas:
• Na região da solda o tecido tomava uma coloração mais escura (Figura 5-1) e
se tornava menos flexível. Devido à desidratação e encolhimento do tecido, a
espessura do mesmo reduzia-se na região da solda. A intensidade destas
mudanças eram tão maiores quanto maior era o grau de desidratação na
região. O grau de desidratação era avaliado visualmente. Quanto maior a
desidratação, o tecido fica mais duro e, com desidratação mais acentuada,
apresenta um aspecto translúcido.
• Em soldas com alto grau de desidratação a linha da solda praticamente
desaparecia, ou seja, a continuidade do material através da linha da solda era
quase perfeita (Figura 5-2). Já em outras soldas, onde o grau de desidratação
não foi tão acentuado, notava-se que a camada interna da aorta (lado mais liso
do material) não apresentava uma boa união, ficando um certo vinco na
superfície do material (Figura 5-1), indicando a região onde a solda ocorreu.
Esta observação fica ainda mais evidente quando observa-se a solda ao longo
da espessura da tecido, após fazer o corte ortogonal à peça.
• Quando a amostra soldada era re-hidratada ou imersa em glutaraldeído para a
fixação química, boa parte da flexibilidade na região da solda era recuperada.
45
Figura 5-1 - Aspecto do tecido na região da solda. Tecido com grau médio de
desidratação.
Figura 5-2 - Aspecto da região da solda em uma amostra com alto grau de desidratação.
*As manchas brancas na Figura acima são resquícios do papel-toalha que ficaram aderidos à amostra
após o processo de soldagem.
46
5.2 Ensaios de tração
As amostras foram preparadas conforme definido na metodologia e a resistência
mecânica foi obtida através do ensaio de tração.
5.2.1 Variação de temperatura e umidade
Mantendo fixa a temperatura de 40°C, e tempo de exposição de 24 horas, obtiveram-
se os resultados para a variação da umidade descritos na Tabela 5-1:
Tabela 5-1 - Resistência mecânica x Umidade Relativa para T = 40 ºC e t = 24 h
Umidade
Relativa
(%)
n
Resistência
mecânicamédia
(MPa)
Desvio
Padrão
Mínimo
Máximo
30 6 0,86 0,48
0,33 1,57
35 12 0,73 0,65
0,21 2,1
40 16 0,58 0,52
0,13 1,98
Os valores médios de resistência mecânica aparentemente diminuem com o aumento
da umidade, mas uma análise de variância (ANOVA) dos dados, feito através do
software MiniTAB, mostra que estatisticamente os valores de resistência para
umidades relativas maiores não são significativamente menores (Vide Análise de
Variância dos dados no Apêndice A). Quando se compara os valores de umidade
relativa de 30% e 40%, p = 0,276.
Repetiu-se a análise retirando todos os valores menores que 0,25 MPa, que poderiam
significar uma soldagem falha, mas mesmo assim a redução na tensão média ainda
não era significativa.
Porém, observou-se que o controle de umidade é importante, pois estudos
preliminares foram feitos em outras estufas nos quais não havia controle de umidade.
Nestas estufas, a 40 ºC, valores individuais dificilmente passavam dos 0,2 MPa e
muitas amostras nem sequer apresentavam adesão.
47
Num segundo experimento, mantendo-se fixa a umidade em 35%, e tempo de
exposição de 24 horas, obtiveram-se os resultados para a variação da temperatura
reportados na Tabela 5-2.
Tabela 5-2 - Resistência mecânica x Temperatura para %H
2
O = 35% e t = 24 h
Temperatura
(°C)
n
Resistência
mecânicamédia
(MPa)
Desvio
Padrão
Mínimo
Máximo
30 4 0,19 0,05
0,11 0,24
40 12 0,73 0,65
0,21 2,1
50 4 0,90 0,49
0,41 1,58
60 5 0,00 0,00
0 0
Nota-se que a resistência mecânica aumenta com a temperatura, até 50°C. Porém, a
50°C o encolhimento do tecido é maior, tal que as bordas apostas afastavam-se umas
das outras, mesmo com a ancoragem das agulhas (desenho 4 na Figura 4-2), e a
solda fica impossibilitada de ocorrer em boa parte das amostras. Porém, nas amostras
nas quais era possível concluir a soldagem, o valor da resistência mecânica era
razoável comparado aos outros grupos. Já a 60ºC, não foi possível produzir nenhuma
amostra soldada.
Acredita-se que à medida que a temperatura aumenta, maior é o grau de desidratação
do tecido, o que libera um número maior de sítios de ligação. Um número maior destes
sítios livres de ligação gerarão, consequentemente, um maior número de ligações na
interface entre as duas superfícies a serem soldadas e, portanto, uma solda mais
resistente.
Porém, é essencial que as duas superfícies a serem soldadas mantenham-se em
contato, caso contrário não é possível que as ligações ocorram. Este é o problema de
temperaturas maiores que 50°C, quando o maior encolhimento do tecido acaba por
afastar as duas superfícies apostas.
A análise de variância dos dados mostra que há uma diferença quando se compara o
grupo de dados a 30ºC e 40ºC (p = 0,182), e também quando se compara 30ºC e 50ºC
(p = 0,029). Porém, quando se comparam os grupos de dados a 40ºC e 50ºC,
48
estatisticamente a diferença não é muito significativa (p = 0,474). Portanto, pode-se
inferir que a 40ºC obtém-se as melhores soldagens.
5.2.2 Efeito da fixação química com glutaraldeído da peça soldada
A Tabela 5-3 compara os valores de resistência mecânica da solda de algumas das
amostras do item anterior com outras amostras produzidas nas mesmas condições,
porém imersas em glutaraldeído 0,65% por 24 horas.
Tabela 5-3 - Resistência mecânica: Tecido não-fixado x tecido fixado
Preparaçãonaestufa
Temperatura
(°C)
Umidade(%)
FixaçãoQuímica n
Resistência
mecânica
média(MPa)
Desvio
Padrão
30 35 Não 4 0,19 0,05
30 35
Glutaraldeído
0,65%,por24
horas
4 0,19 0,06
40 35 Não 14 0,64 0,64
40 35
Glutaraldeído
0,65%,por24
horas
7 0,35 0,09
40 40 Não 16 0,58 0,52
40 40
Glutaraldeído
0,65%,por24
horas
4 0,45 0,12
Nota-se uma redução da tensão média de resistência da amostra após imersão em
glutaraldeído 0,65%, porém a análise de variância mostrou que as diferenças entre os
grupos de dados não é muito significativa, quando se compara a amostra sem fixação
química e com fixação química (Apêndice A). Mas a fixação química será importante
para manter a estabilidade da solda em meio aquoso, como será visto à frente.
Neste caso dois mecanismos ocorrem. Primeiro, a amostra está sendo re-hidratada
pela solução aquosa, que desfaz parte das ligações ocorridas durante a soldagem na
estufa. Segundo, ocorre a fixação química do tecido, que também age sobre as
ligações existentes na interface da solda, reforçando-a, ou seja, ao mesmo tempo em
49
que algumas ligações na região da solda são desfeitas, outras são reforçadas pelas
ligações cruzadas criadas pela ação do glutaraldeído. Por isso a resistência não
apresentou diferenças significativas entre o grupo não-fixado e o grupo fixado.
5.2.3 Efeito da concentração do glutaraldeído na resistência mecânica
A Tabela 5-4 mostra o efeito da concentração de glutaraldeído na resistência
mecânica da solda.
Tabela 5-4 - Efeito da concentraçao do glutaraldeído na resistência mecânica
Preparaçãonaestufa
Temperatura
(°C)
Umidade
(%)
FixaçãoQuímica n
Resistência
mecânica
média(MPa)
DesvioPadrão
40 35 Não 12 0,73 0,65
40 35
Glutaraldeídoa
0,65%,por24h
7 0,35 0,09
40 35
Glutaraldeídoa
1,00%,por24h
4 0,35 0,07
40 35
Glutaraldeídoa
2,50%,por24h
4 0,64 0,19
O que se observa é que para concentrações menores de glutaraldeído a resistência
mecânica da solda, quando comparada às amostras não fixadas, reduz-se. Porém,
quando fixada com maior concentração utilizada neste teste, 2,5%, a fixação com
glutaraldeído é capaz de manter o mesmo nível de resistência mecânica para o tecido
soldado.
Na análise de variância dos grupos de dados (Apêndice A), a diferença entre a
amostra sem fixação e aquela fixada com glutaraldeido a 0,65% é pouco significativa
(p=0,247) e menos significativa ainda quando comparada com glutaraldeído a 1,0%
(p=0,389). Porém, quando comparado com o tecido fixado em glutaraldeído a 2,5%, a
diferença é praticamente inexistente (p=0,994), ou seja, os valores de resistência
mecânica são estatisticamente similares.
50
Uma maior concentração de glutaraldeído tem uma maior e mais rápida penetração no
tecido e na interface da solda, gerando um número maior de ligações cruzadas na
região, o que aumenta a resistência da solda.
5.2.4 Efeito da re-hidratação do tecido soldado.
A Tabela 5-5 reporta o efeito da re-hidratação da região soldada na resistência da
solda.
Tabela 5-5 - Efeito da re-hidratação na resistência mecânica
Preparação
naestufa
Fixação
Química
Re‐hidratação n
Resistência
mecânica
média(MPa)
Desvio
Padrão
Não 14 0,64 0,64
Glutaraldeído
0,65%,por24
horas
7 0,35 0,09
Glutaraldeído
2,5%,por24
horas
Não
4 0,64 0,23
Não
SoluçãoSalinaa
0,9%,durante1h
4 0,04 0,04
Não 4 0,00 0,00
Glutaraldeído
0,65%,por24
horas
3 0,25 0,07
40°C/35%
Glutaraldeído
2,5%,por24
horas
SoluçãoSalinaa
0,9%,durante24h
4 0,49 0,23
O mais importante a se observar neste experimento é o efeito da re-hidratação sobre a
solda obtida na estufa. A solda pode obter excelentes valores de tensão e resistência,
logo após a preparação desta na estufa. Porém, depois de apenas 1h de re-hidratação
a solda praticamente desfaz-se. Depois de 24h de re-hidratação, então, a solda
desaparece e não resta nenhum sinal de adesão entre as bordas.
51
Surge então a importância da fixação química. Após a fixação com glutaraldeído,
Tabela 5-5, é possível notar que os valores de resistência mecânica da solda
reduzem-se mas o tecido é capaz de manter ainda um certo grau de adesão mesmo
após a re-hidratação.
A re-hidratação teria um efeito contrário ao o que ocorre na estufa. Os sítios de ligação
que tinham sido liberados pelas moléculas de água e ligados com outra molécula são
agora, na presença da solução aquosa, religados às moléculas de água, desfazendo
as ligações criadas. Como foi discutido anteriormente, somente a fixação química será
capaz de estabilizar estas ligações, através da ligação cruzadas criada pelo agente
fixador.
5.2.5 Efeito do tempo de exposição ao calor na estufa
A Tabela 5-6 mostra como o tempo de exposição ao calor afeta a resistência mecânica
da solda.
Tabela 5-6 - Efeito do tempo de exposição ao calor na resistência mecânica
Preparaçãonaestufa
Temperatura
(°C)
Umidade
(%)
Tempo
FixaçãoQuímica n
Resistência
mecânica
média(MPa)
Desvio
Padrão
40 40 24h Não 16 0,58 0,52
40 40 48h Não 15 3,16 1,00
40 40 24h
Glutaraldeído
0,65%,por24
horas
4 0,45 0,12
40 40 48h
Glutaraldeído
0,65%,por24
horas
3 0,49 0,16
Quando testam-se as amostras logo após a soldagem, nota-se uma grande diferença
nos valores de resistência mecânica quando o tempo de exposição é aumentado de
24 h para 48 h. A média é multiplicada por mais de 5 vezes. Porém, após a fixação
das amostras no glutaraldeído, nenhuma diferença é notada entre os valores de
resistência.
52
O aumento da resistência com o tempo de exposição está relacionado, mais uma vez,
ao grau de desidratação das moléculas na interface da solda. Um tempo de exposição
maior aumenta o número de sítios de ligação liberados pela retirada das moléculas de
água, e também o tempo de ligação entre as moléculas das superfícies opostas,
aumentando o número de ligações e, consequentemente, a resistência da solda.
Os resultados das amostras fixadas levam a crer, porém, que independente do
número de ligações criadas durante a solda na estufa, a fixação química criará sempre
o mesmo número de ligações cruzadas na região da interface. Este número de
ligações cruzadas vai depender na realidade de outros fatores, como concentração do
agente fixador e tempo de fixação química, mas não do número de ligações
inicialmente criadas na estufa. Ou seja, somente um número determinado de ligações
serão reforçadas pela fixação química, e as outras serão desfeitas pela ação re-
hidratante da solução aquosa.
Durante os testes de resistência mecânica da solda com estas amostras, uma das
amostras produzidas conforme a linha 1 da Tabela 5-6 (Amostra produzida a 40°C,
40%, durante 24 horas, sem fixação química), teve um comportamento diferente.
Durante o ensaio de tração, somente metade da solda rompeu-se (Figura 5-3, letra A)
e a amostra acabou soltando da garra superior sem no entanto romper-se por
completo. A amostra foi então cortada perpendicularmente à linha de solda, de modo a
retirar a região da solda que tinha rompido (Figura 5-3, letra B). O pedaço soldado foi
então submetido a novo ensaio de tração (Figura 5-3, letra C).
Este novo pedaço teve um alto valor de resistência mecânica, 2,48 MPa, quando
comparado à média do grupo de dados, de 0,58 MPa.
O que ocorreu com esta amostra está certamente ligado à qualidade da aposição das
superfícies na região da solda. No lado que rompeu-se primeiro a aposição das
superfícies não era tão boa (aproximação não foi suficiente ou, aproximação foi
excessiva ou, superfícies das duas partes estavam desalinhadas entre si), ao contrário
do outro lado, em que a aposição estava mais próxima de uma aposição perfeita.
53
Figura 5-3 - Resistência mecânica elevada em parte de uma das amostras soldadas
5.2.6 Efeito do tempo de fixação química na resistência mecânica
A Tabela 5-7 relata os resultados de resistência da solda após tratamento em tempos
diferentes de estabilização química com glutaraldeído.
Tabela 5-7 - Efeito do tempo de fixação química na resistência mecânica
Preparaçãonaestufa
Temperatura
(°C)
Umidade
(%)
FixaçãoQuímica n
Resistência
mecânica
média(MPa)
DesvioPadrão
40 35 Não 12 0,73 0,65
40 35
Glutaraldeídoa
2,50%,por24h
4 0,64 0,19
40 35
Glutaraldeídoa
2,50%,por15dias
3 0,87 0,16
O fator tempo na fixação química é capaz de aumentar um pouco mais a resistência
mecânica média da amostra soldada. A análise de variância (Apêndice A) mostra que
há uma certa diferença entre os grupos de dados, ainda que estatisticamente pouco
significativa (p=0,155).
54
Com um tempo maior de exposição ao glutaraldeído, a penetração no tecido e na
interface da solda é ainda maior, ainda que 24 horas já sejam suficientes para a
penetração e fixação adequada a 1 mm das superfícies do tecido. Há maior tempo
para a ocorrência de uma maior quantidade de ligações cruzadas, reforçando ainda
mais a solda.
5.2.7 Comparação da resistência mecânica da tecido soldado e do tecido
suturado
A Tabela 5-8 reporta dados de resistência mecânica de tecidos soldados e suturados.
Tabela 5-8 - Resistência mecânica: Tecido soldado x tecido suturado
Preparaçãonaestufa
Temperatura
(°C)
Umidade
(%)
Tempo
FixaçãoQuímica n
Resistência
mecânica
média(MPa)
Desvio
Padrão
40 35 24h
Glutaraldeído
2,50%,por24
horas
4 0,64 0,19
Não 3 0,70 0,11
Tecidosuturado
Glutaraldeído
2,50%,por24
horas
3 1,36 0,21
A união através de sutura do tecido fixado é aproximadamente duas vezes mais
resistente que a união por solda. A análise de variância (Apêndice A) mostra que a
diferença é significativa (p=0,005).
Importante observar que na união suturada a fixação química também aumenta a sua
resistência, pois o tecido fica mais resistente ao rasgamento causado pela sutura
quando a união é solicitada mecanicamente.
55
5.2.8 Comparação da resistência mecânica da solda e do tecido íntegro
Os valores de resistência mecânica da solda são comparados com os valores da
resistência mecânica do tecido íntegro na Tabela 5-9.
Tabela 5-9 - Resistência mecânica: Tecido soldado x tecido íntegro
Preparaçãonaestufa
Tipo
Temp.
(°C)
Umidade
(%)
Tempo
Fixação
Química
n
Resistência
mecânica
média(MPa)
Desvio
Padrão
40 35 24h‐14 0,64 0,64
Tecido
soldado
40 35 24h
Glutaraldeído
2,50%,por24
horas
4 0,64 0,19
‐ ‐ ‐ ‐ 11 2,17 0,64
‐ ‐ ‐
Glutaraldeído
2,50%,por24
horas
5 4,45 0,83
40 35 24h‐4 3,18 1,50
Tecido
íntegro
40 35 24h
Glutaraldeído
2,50%,por24
horas
3 2,74 0,36
As duas primeiras linhas da Tabela 5-9 referem-se ao tecido soldado não-fixado e
fixado com glutaraldeído. As linhas 3 e 4 da tabela referem-se ao tecido íntegro e
fresco. As duas últimas linhas da tabela referem-se ao mesmo tecido das linhas 1 e 2,
que foi soldado na estufa, porém é parte do tecido que não foi cortada (e
consequentemente soldada) e manteve-se íntegra. Mas sofreu a mesma exposição ao
calor e umidade que a região da solda.
O tecido fresco, sem fixação química, é cerca de 3,3 vezes mais resistente que o
tecido soldado.
Quando comparam-se o tecido fresco fixado em glutaraldeído e o tecido soldado,
também quimicamente soldado, a diferença é ainda maior. O tecido fresco é quase 7
vezes mais resistente que o tecido soldado.
56
É interessante quando comparam-se os dados do tecido íntegro fresco quimicamente
fixado e o tecido íntegro, submetido à temperatura e umidade, também fixado. A
diferença é significativa e o tecido submetido à temperatura e umidade da estufa torna-
se menos resistente à tração. A tensão média de resistência é cerca de 60% do tecido
fresco.
A explicação para a redução da resistência do tecido íntegro pode estar na ação da
temperatura na conformação das moléculas de colágeno que, alteradas, afetam
negativamente as ligações intermoleculares.
Este tecido íntegro, que esteve na estufa nas mesmas condições da parte que foi
soldada, é cerca de 3 vezes mais resistente que o tecido soldado.
Todos os grupos de dados analisados acima apresentam diferenças significativas
entre si. (Veja Análise de Variância no Apêndice A).
5.2.9 Comparação da resistência mecânica da solda e do tecido íntegro
após alta desidratação das amostras
Este experimento ocorreu de forma não planejada, porém gerou resultados muito
interessantes. O que ocorreu foi que o papel-toalha que mantinha o tecido adjacente à
região da solda ficou muito curto e, com a redução do nível de água dentro do
recipiente, o papel-toalha parou de umedecer o tecido, que ficou completamente
desidratado.
Notou-se que a solda apresentou um ótimo acabamento visual, ficando difícil notar
onde estava a linha da solda. De cada amostra retirou-se dois pedaços: um tal como
descrito na metodologia de preparação da amostra e que possuía a linha de soldagem
e outro no canto da amostra, que não era alcançado pelo corte feito na amostra. As
resistências foram comparadas e viu-se que não havia diferença entre as médias de
valores dos dois grupos de amostras (Tabela 5-10).
57
Tabela 5-10 - Resistência mecânica: Tecido soldado x tecido íntegro após alta
desidratação
Preparaçãonaestufa
Tipo
Temperatura
(°C)
Umidade
(%)
Tempo
Fixação
Química
n
Resistência
mecânica
média(MPa)
Desvio
Padrão
Tecido
soldado
40 40 48h Não 2 10,75 2,11
Tecido
íntegro
40 40 48h Não 3 10,68 1,67
Pela Análise de Variância (Apêndice A), vê-se que não há diferença entre os dados
(p=0,970).
Interessante que uma das amostras soldadas rompeu-se em outra região e não na
solda (esta amostra não foi incluída na tabela acima).
Com o alto grau de desidratação, o número de ligações entre as moléculas das duas
superfícies apostas deve ter atingido o máximo de ligações possíveis, ficando com
uma resistência comparável ao do próprio tecido íntegro.
Vale lembrar que esta resistência da solda vai desaparecer com a re-hidratação, ou
seja, a solda só é comparável com o tecido íntegro na situação em que ambos estão
totalmente desidratados.
Na realidade a desidratação à temperatura e umidade ambientes é muito pequena, e
portanto praticamente não ocorre o efeito de liberação dos sítios de ligações das
moléculas de colágeno.
58
5.3 Análise de curvas Tensão x Deformação obtidas nos ensaios de
tração.
A primeira observação quando se compara as curvas de tensão x deformação do
tecido fresco e o tecido soldado, é a quantidade de deformação que o material sofre
antes de romper-se.
A Figura 5-4 mostra uma curva tensão x deformação típica do tecido fresco da aorta
porcina. O tecido deforma-se mais de 150% antes de romper-se. Outra observação na
Figura 5-4 é que as curvas mostram vários "vales" nos valores de tensão. Eles
correspondem ao momento em que apenas uma das camadas do tecido rompe-se.
Normalmente observa-se que as camadas externas rompem-se antes, o que leva a
crer que estas camadas tem menor elasticidade que a camada intermediária.
160140120100806040200
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Strain (%)
Stress (MPa)
Typical Stress-Strain curve for fresh tissue
Figura 5-4 - Curvas tensão x deformação típicas do tecido fresco.
59
A Figura 5-5 é uma curva típica do tecido soldado, e com alto grau de desidratação –
neste caso todo o tecido ficou desidratado. A desidratação e o rompimento da solda –
menos resistente que o tecido íntegro – reduzem a quantidade de deformação para
em torno de 40% e ampliam a tesão de ruptura (de 0,8MPa para 10MPa). Nota-se
também na comparação entre estes dois gráficos que o rompimento é bem mais
abrupto no tecido soldado do que no tecido fresco. Este rompimento abrupto –
rompimento frágil – é exatamente o rompimento da linha de solda. No tecido fresco
percebe-se um rompimento mais dúctil.
302520151050
12
10
8
6
4
2
0
Strain (%)
Stress (MPa)
Typical Stress-Strain curve for highly de-hydrated welded tissue
Figura 5-5 - Curvas tensão x deformação típicas do tecido soldado e com alto grau de
desidratação.
60
A Figura 5-6 mostra a curva do tecido íntegro – ou seja, não soldado – mas que foi
submetido à desidratação na estufa, nas mesmas condições em que são feitas as
soldas. Esta amostra estava parcialemente desidratada, ou seja, havia uma parte do
tecido umedecido pelo papel-toalha, como descrito na seção de Metodologia. Mesmo
parcialmente desidratado, o tecido íntegro ainda mantém uma alta ductilidade – entre
200% e 300% de deformação. Note que o tecido desidratado fica mais resistente à
tração. Esta maior resistência alidada à sua flexibilidade são os responsáveis pela
grande taxa de deformação (até cerca de 2 vezes o tecido fresco).
200150100500
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Strain (%)
Stress (MPa)
Typical Stress-Strain curve for partially de-hydrated welded tissue
Figura 5-6 - Curvas tensão x deformação típicas do tecido parcialmente desidratado na
estufa
61
A quantidade de deformação do tecido íntegro é reduzida com a fixação química do
tecido, o que já era de esperar. A Figura 5-7 mostra curvas típicas do tecido fixado
quimicamente, em que as deformações não atingem 100%. Nota-se, porém, que a
resistência do tecido é maior após a fixação.
9080706050403020100
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Strain (%)
Stress (MPa)
Typical Stress-Strain curve for tissue chemically fixed with glutaraldehyde
Figura 5-7 - Curvas tensão x deformação típicas do tecido fixado quimicamente com
glutaraldeído.
62
Quando se comparam as curvas do tecido soldado sem fixação e com fixação química
– Figura 5-5 e Figura 5-8 – percebe-se um aumento da quantidade de deformação
absorvida pelo tecido fixado antes de romper-se, ao contrário do que ocorre no tecido
íntegro. A explicação está no fato de que o tecido desidratado tem muito baixa
ductilidade e o glutaraldeído, além de fixar o tecido quimicamente, também re-hidrata o
tecido, recuperando parte de sua ductilidade. Portanto, é possível deformar o tecido
um pouco mais antes de romper a solda – ainda que rompa com uma tensão menor.
9080706050403020100
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Strain (%)
Stress (MPa)
Typical Stress-Strain curve for hightly de-hydrated welded tissue
Figura 5-8 - Curvas tensão x deformação típicas do tecido soldado e fixado
quimicamente em glutaraldeído.
Cada curva apresentada nas figuras 5-4 a 5-8 representa a curva de apenas uma das
amostras analisadas, e não a média das amostras.
5.4 Análise no Microscópio Eletrônico de Varredura
A amostra soldada em estufa e fixada quimicamente em glutaraldeído 0,65% foi
observada no MEV ambiental. Observando-se a Erro! Fonte de referência não
encontrada. e a Figura 5-10, nota-se a presença de fibras que partem de um borda e
estendem-se até a outra borda, criando uma ligação entre as duas. As dimensões
destas fibras, que pela Figura 5-10 têm um diâmetro da ordem de 5 a 10 µm,
63
coincidem com as dimensões de fibras de colágeno, que variam entre 1 a 20 µm
(JUNQUEIRA e CARNEIRO,1999).
Nota-se também que não há sinais de soldagem por fusão do material na interface, o
que pode ser inferido da planicidade com que se manteve a superfície de ambas as
bordas, planicidade esta produzida pelo corte com a lâmina do bisturi.
A melhor hipótese que pode-se inferir destas imagens é que ocorrem então ligações
químicas entre as fibras de colágeno das superfícies apostas, e que estas levam à
união das duas bordas.
64
Figura 5-9 - Imagem gerada no MEV da região da solda térmica (100x)
Figura 5-10 - Imagem gerada no MEV da região da solda térmica (400x)
65
5.5 Análise com Microscopia Raman
A espectroscopia Raman foi utilizada para investigar alterações na estrutura do tecido
frente à desidratação pela elevação de temperatura e redução da umidade. A amostra
de tecido analisada foi posicionada no microscópio de forma que a camada intima da
parede da aorta (camada interna da artéria) ficasse voltada para o laser durante a
análise.
Espectros forma obtidos de três amostras: um tecido fresco, um tecido parcialmente
desidratado e um tecido bastante desidratado (Figura 5-11). Os espectros obtidos
foram sobrepostos e normalizados, para um comparação adequada. O espectro
resultante foi dividido em 4 figuras (Figura 5-12 até Figura 5-15), para facilitar a
visualização.
Neste espectro, a linha azul representa um tecido fresco, ou seja, sem nenhuma ação
sobre o tecido, como desidratação, fixação química ou qualquer outro tratamento. O
tecido foi analisado cerca de uma semana depois de recebido do abatedouro. O tecido
(segmento aórtico de porcino) é recebido do abatedouro até no máximo 6 dias após a
morte do porcino e é mantido em álcool benzílico a 0,5%. Esta amostra será o
controle, e a chamaremos de “tecido fresco”.
Figura 5-11 – Desenho esquemático mostrando as regiões do tecido analisadas na
espectroscopia Raman.
66
A linha laranja representa uma parte do tecido que foi exposta à temperatura e baixa
umidade na câmera climática, porém mantida úmida pelo papel-toalha em contato com
ela e cuja outra extremidade estava mergulhada em água (Figura 5-11). Ainda que o
tecido seja mantido com um suprimento de umidade, ele apresenta um certo grau de
desidratação. Chamaremos esta amostra de “tecido semi-desidratado”.
A linha vermelha representa a análise da região do tecido bem próxima à região de
solda, e que ficou diretamente exposta à temperatura e baixa umidade da câmara
climática. Chamaremos esta amostra de “tecido seco” (Figura 5-11).
Analisando os gráficos no sentido crescente dos números de onda, observamos as
seguintes alterações nos espectros que são as mais evidentes:
1. Na Figura 5-12 percebe-se uma aumento da intensidade do sinal na banda
entre 420 e 470 cm
-1
e também na banda entre 500 e 600 cm
-1
. Ligações S-S
normalmente aparecem na faixa entre 430 e 550 cm
-1
, o que leva a crer que
um grande número destas ligações surgiram na região do tecido seco. A
detecção destas ligações através da espectroscopia Raman é muito forte. Esta
ligação que surge coincide com o estudo de SCHERR et al. (1998), que
acredita que as ligações disulfito eletrostáticas e covalentes, que surgem com a
desnaturação induzida pelo calor, aumentam a resistência final na solda. Ele
cita ainda que a presença de ligações dissulfito em tecidos soldados
termicamente foi demonstrada por vários investigadores.
2. Na banda entre 640 e 700 cm
-1
também pode-se notar um aumento na
intensidade do sinal para o tecido seco (Figura 5-12). A região entre 630 e 790
cm
-1
normalmente corresponde, na espectroscopia Raman, a ligações C-S
alifáticas. (Horiba Jobin Yvon)
3. Na banda entre 1000 e 1040 cm
-1
nota-se uma redução da intensidade do sinal
no tecido seco quando comparado ao tecido fresco. Porém, entre 1040 e 1145
cm
-1
é nítido o aumento do sinal no tecido seco em comparação com o tecido
fresco (Figura 5-13). A espectroscopia Raman detecta fortemente para as
ligações C=S, que normalmente ocorrem na banda entre 1000 e 1250 cm
-1
, e
para ligações C-S aromáticas, que ocorrem numa banda mais estreita, entre
67
1080-1100 cm
-1
. (Horiba Jobin Yvon) Isso leva a crer que a desidratação leva
a uma mudança nas ligações existentes no tecido, principalmente nas ligações
envolvendo o enxofre.
4. Mudanças são observadas na banda de 1660 cm
-1
, que correspondem à Amida
I (BADII e HOWELL, 2003). A alteração na densidade do sinal denota
alterações na conformação das proteínas e na estrutura secundária. Porém
não foram observadas alterações significativas em 940, 990 e 1239 cm
-1
, o que
reflete alterações na hélice, na cadeia e na espira, respectivamente (BADII e
HOWELL, 2003).
5. Na banda em 1443 cm
-1
(Figura 5-13), associada aos grupos metil e metileno, e
cujo aumento na intensidade denota a desnaturação da proteína (DONG et al.,
2003), nota-se um aumento da intensidade no tecido seco, o que denota que
houve uma desnaturação do tecido na região da solda.
6. A próxima banda que mostra uma nítida alteração no tecido seco, em
comparação às amostras semi-desidratada e fresca, é na banda
aproximadamente entre 1500 e 1600 cm
-1
(Figura 5-14), onde a intensidade do
sinal é bem maior para o tecido seco. A detecção nesta banda pelo Raman é
de intensidade média para ligações como N=N alifáticas (normalmente na
banda 1550 a 1580 cm
-1
) e C-NO2 assimétricas (normalmente na banda entre
1530 a 1590 cm
-1
) (Horiba Jobin Yvon).
7. Na banda entre 3000 e 3800 cm
-1
(Figura 5-15) nota-se nitidamente que a
intensidade do sinal decresce do tecido fresco para o semi-desidratado e deste
para o seco. Esta banda está associada à presença de moléculas de água na
amosta (LEIKIN et al., 1997), portanto a redução na intensidade acontece
conforme esperado.
8. Na banda entre 2800 e 3000 cm
-1
(Figura 5-15) temos as ligações C-H (Horiba
Jobin Yvon). A variação das intensidades de uma amostra para a outra não é
tão nítida assim, mas nota-se uma ligeira alteração no formato do pico nesta
banda. No tecido fresco, o pico apresenta dois “degraus” bem definidos, um de
cada lado do pico. À medida que caminhamos no sentido do tecido mais seco,
68
observamos que estes “degraus” perdem um pouco de sua definição. Uma
hipótese é que a quantidade de ligações C-H não varia muito, mas que pode
ocorrer variações nos formatos das moléculas de hidrocarbonetos.
O que pode-se inferir dos dados acima é que algumas alterações químicas ocorrem
durante o aquecimento do tecido, e não somente uma simples fusão por
entrelaçamento das fibras de colágeno, desnaturadas por ação do calor. Uma pista
importante encontrada nesta análise foram as ligações disulfito e as ligações C-S e
C=S, que surgiram com maior intensidade no tecido seco. Estas ligações, em que o
enxofre o elemento principal, e que já foram citadas em pesquisas anteriores, pode ser
um dos principais contribuintes para a promoção da união dos tecidos.
Figura 5-12 - Espectro das amostra de tecido fresco, semi-desidratado e seco. Banda de
400 a 700 cm
-1
.
69
Figura 5-13 - Espectro das amostra de tecido fresco, semi-desidratado e seco. Banda de
700 a 1250 cm
-1
.
Figura 5-14 - Espectro das amostra de tecido fresco, semi-desidratado e seco. Banda de
1200 a 1700 cm
-1
.
70
Figura 5-15 - Espectro das amostra de tecido fresco, semi-desidratado e seco. Banda de
2800 a 3800 cm
-1
.
71
6 CONCLUSÕES
Uma variabilidade nos resultados para cada um dos experimentos – como foi o caso
das amostras preparadas a 40 °C e 35% de umidade, em que os valores variavam de
0,07 MPa até 2,1 MPa – leva a crer que há vários fatores com grande peso nos
resultados finais. Os principais fatores observados podem ser resumidos como:
• Grau de desidratação na região da solda: Quanto maior a desidratação,
melhores são os resultados obtidos. Porém esta grande diferença nos
resultados é reduzida substancialmente após fixação química e re-hidratação.
• Qualidade da aposição das bordas a serem soldadas: Observou-se que uma
boa aposição das bordas contribui significativamente para o sucesso da solda.
• Controle da umidade: Os testes em estufas diferentes mostraram que o
controle da umidade é importante para se obter boas soldas.
• Controle da temperatura: Há uma faixa de temperatura ideal para realizar as
soldas, que deve ser um pouco acima da temperatura ambiente, em torno de
40 °C, e não acima de 50 °C, onde o tecido encolhe muito e a solda não pode
ser obtida.
As melhores soldas foram obtidas a 40 °C, com a umidade controlada entre 30 e 40%.
Quanto ao fator tempo de exposição dentro da estufa, um aumento do tempo
aumentou significativamente as médias de resistência mecânica. Mas esta diferença
desaparece depois da fixação química.
Outra observação significativa nos ensaios de tração é a importância da fixação
química do tecido soldado. Os experimentos demonstraram que a solda desfaz-se
quando a amostra é submetida a re-hidratação após o processo na estufa. Mas a
solda não desfaz-se quando o tecido soldado é submetido a uma fixação química,
72
antes da re-hidratação. Em suma, pode-se dizer que a solda ocorrida na estufa cria
condições para que a fixação química ocorra nas fibras na região de interface entre as
duas partes, ligações estas estáveis e resistentes a re-hidratação – esta afirmação é
reforçada pelos testes preliminares que demonstraram que a simples fixação química
não é capaz de, sozinha, restabelecer a união entre duas partes. Bons resultados
foram obtidos com a fixação química em glutaraldeído a 2,50% por 15 dias.
Quando comparado com a sutura, a média da resistência mecânica da amostra
soldada é a metade da obtida com a sutura, mas a avaliação de alguns valores
isolados mostraram que há o potencial de se obter soldas com resistência comparável
à sutura. Além disso, vale lembrar que a sutura apresenta a desvantagem da
concentração de tensão na região onde a sutura atravessa o tecido.
Quando comparada ao tecido íntegro, é interessante notar que a resistência mecânica
é praticamente a mesma do tecido quando ambos estão altamente desidratados. Mas
após a fixação química – que também re-hidrata – o tecido íntegro mostra-se 7 vezes
mais resistente que o tecido soldado – diferença similar ao observado em outros
trabalhos, como o de FENNER (1994).
Quanto ao entendimento do mecanismo envolvido na soldagem do tecido, algumas
pistas foram obtidas durante os experimentos. Algumas observações oriundas dos
experimentos levam a crer que a soldagem ocorre pela ocorrência de ligações
químicas entre as fibras colágenas na interface das duas partes unidas, e não pela
simples fusão do tecido e união pelo entrelaçamento destas fibras – mesmo porque as
solda também foram realizadas em temperaturas abaixo da temperatura de fusão do
tecido. Isso fica demonstrado pelas imagens obtidas no MEV, em que se vê fibras
interligando as duas faces das bordas unidas, e o aspecto plano das borda, diferente
do que se esperaria ver caso houvesse uma fusão do material naquela região.
A espectroscopia Raman também trouxe algumas informações sobre ligações que
surgiram como efeito do calor sobre o tecido.
Os indícios de que a ligação ocorra pela existência de ligações químicas entre as
fibras de colágeno, e o fato de que a solda se desfaz quando a amostra é re-hidratada
logo após o processo de soldagem, sugere que a hipótese levantada no trabalho de
73
FENNER (1994) é a que melhor explica o mecanismo envoldio na soldagem. Ou seja,
a exposição ao calor desidrata o tecido e as moléculas de água retiradas liberam sítios
de ligações nas moléculas de colágeno. Os sítios de ligações livres das fibras das
duas bordas opostas encontram-se formando uma ligação química. Esta ligação é
então reforçada através da fixação química com o glutaraldeído.
74
7 RELEVÂNCIA DOS RESULTADOS
Os resultados dos experimentos com a parede aórtica soldada na estufa com controle
de temperatura e umidade mostraram que a solda do tecido é possível, e que valores
de resistência mecânica razoáveis podem ser alcançados com o desenvolvimento da
técnica.
Mais do que obter uma solda com elevada resistência, demonstrou-se que esta pode
ser alcançada sem a utilização de elementos exógenos (colas, albuminas, cromóforos)
para auxiliar a adesão, ou seja, apenas calor foi o suficiente para criar a união das
duas partes.
Quando comparados a valores obtidos em outras pesquisas similares, vê-se que os
valores médios de resistência mecânica aqui obtidos são bem promissores, sendo
muitas vezes superiores aos obtidos em grande maioria dos trabalhos de estudiosos
referenciados neste trabalho.
Demonstrou-se que a fixação química com glutaraldeído tem profunda importância na
estabilidade da solda, quando se contempla a re-hidratação do tecido e o seu contato
com diversas soluções de processo e fluidos fisiológicos.
O aspecto visual da solda também foi um ponto positivo, mostrando que a região pode
apresentar um bom acabamento, o que é interessante para aplicações como a
fabricação de biopróteses de válvulas cardíacas.
Portanto, a soldagem térmica do tecido do segmento aórtico é possível, com grande
possibilidade de se obterem resultados ainda melhores. Salvo a longo prazo (efeitos
da fadiga), que não foi avaliado. Há um potencial para estudar aplicações do método
na fabricação de biopróteses de válvulas cardíacas.
75
8 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Como discutido anteriormente, o sucesso da solda é afetado por variações nos
parâmetros controle de temperatura e umidade, qualidade da aposição das bordas a
serem soldadas, tempo de exposição à temperatura e à fixação química com
glutaraldeído, concentração do agente de ficação química, efeito da re-hidratação e
grau de desidratação.
A grande variabilidade nos resultados de resistência mecânica mostra um potencial
para se obter médias ainda melhores do que as apresentadas aqui, portanto, fica a
sugestão de, em trabalhos futuros, investigar outras variações nestes parâmetros. Por
exemplo:
• Desenvolver dispositivos que mantenham uma melhor aposição das bordas a
serem soldadas. Investigar também os fatores que definem uma boa aposição
das bordas durante todo o processo de solda e como lidar com o encolhimento
do tecido durante o aquecimento.
• Investigar outras combinações de tempo de exposição ao calor, temperatura,
umidade e tempo de exposição ao glutaraldeído.
• Efeito de concentrações maiores de glutaraldeído para a fixação química.
• Investigar os efeitos de uma exposição mais prolongada a re-hidratação e
também o efeito que outros fluidos podem ter sobre a solda, como, por
exemplo, o sangue ou uma solução similar.
• Avaliar a solda em um teste de envelhecimento acelerado ou de fadiga, para
investigar a resistência a longo prazo.
E uma vez que se demonstrou ser possível obter solda no tecido por efeito térmico,
fica também a sugestão de desenvolver um trabalho sobre a solda a laser do tecido.
Segundo acreditam vários pesquisadores, o tecido absorve a energia luminosa do
feixe de laser e a transforma em energia térmica, que tem um efeito semelhante ao
obtido neste trabalho. Sugere-se, neste caso, iniciar estudos com a seguinte
76
combinação: Laser de diodo e região da solda com o cromóforo indocianina verde, que
é a combinação mais freqüente encontrada nos trabalhos na área.
77
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81
10 APÊNDICES
10.1 Apêndice A: Análises de Variância dos dados de Tensão Média de
Resistência.
10.1.1 Análise de Variância para os dados da Tabela 5-1 - Resistência
mecânica x Umidade Relativa
One-way ANOVA: 40-30; 40-35
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,194 0,194 0,54 0,473
Error 18 6,494 0,361
Total 19 6,688
S = 0,6006 R-Sq = 2,90% R-Sq(adj) = 0,00%
Individual 95% CIs For Mean Based on Pooled StDev
Level N Mean StDev +---------+---------+---------+---------
40-30 6 0,8550 0,4847 (-----------------*----------------)
40-35 14 0,6400 0,6397 (----------*-----------)
+---------+---------+---------+---------
0,30 0,60 0,90 1,20
Pooled StDev = 0,6006
One-way ANOVA: 40-35; 40-40
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,027 0,027 0,08 0,780
Error 28 9,408 0,336
Total 29 9,435
S = 0,5797 R-Sq = 0,28% R-Sq(adj) = 0,00%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev ------+---------+---------+---------+---
40-35 14 0,6400 0,6397 (---------------*---------------)
40-40 16 0,5801 0,5221 (--------------*--------------)
------+---------+---------+---------+---
0,40 0,60 0,80 1,00
Pooled StDev = 0,5797
82
One-way ANOVA: 40-30; 40-40
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,330 0,330 1,25 0,276
Error 20 5,264 0,263
Total 21 5,593
S = 0,5130 R-Sq = 5,89% R-Sq(adj) = 1,19%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev -------+---------+---------+---------+--
40-30 6 0,8550 0,4847 (----------------*-----------------)
40-40 16 0,5801 0,5221 (---------*----------)
-------+---------+---------+---------+--
0,50 0,75 1,00 1,25
Pooled StDev = 0,5130
10.1.2 Análise de Variância para os dados da Tabela 5-2 - Resistência
mecânica x Temperatura
One-way ANOVA: 30-35; 40-35
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,644 0,644 1,93 0,183
Error 16 5,328 0,333
Total 17 5,972
S = 0,5771 R-Sq = 10,79% R-Sq(adj) = 5,21%
Individual 95% CIs For Mean Based on Pooled StDev
Level N Mean StDev --+---------+---------+---------+-------
30-35 4 0,1850 0,0545 (----------------*-----------------)
40-35 14 0,6400 0,6397 (--------*---------)
--+---------+---------+---------+-------
-0,35 0,00 0,35 0,70
Pooled StDev = 0,5771
83
One-way ANOVA: 40-35; 50-35
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,203 0,203 0,54 0,474
Error 16 6,050 0,378
Total 17 6,253
S = 0,6149 R-Sq = 3,25% R-Sq(adj) = 0,00%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev ---+---------+---------+---------+------
40-35 14 0,6400 0,6397 (---------*---------)
50-35 4 0,8955 0,4934 (------------------*-----------------)
---+---------+---------+---------+------
0,35 0,70 1,05 1,40
Pooled StDev = 0,6149
One-way ANOVA: 30-35; 50-35
Source DF SS MS F P
Factor 1 1,010 1,010 8,19 0,029
Error 6 0,739 0,123
Total 7 1,749
S = 0,3510 R-Sq = 57,73% R-Sq(adj) = 50,68%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev ------+---------+---------+---------+---
30-35 4 0,1850 0,0545 (----------*---------)
50-35 4 0,8955 0,4934 (---------*----------)
------+---------+---------+---------+---
0,00 0,40 0,80 1,20
Pooled StDev = 0,3510
84
10.1.3 Análise de Variância para os dados da Tabela 5-3 - Resistência
mecânica: Tecido não-fixado x tecido fixado
One-way ANOVA: 30-35; 30-35 G065-24
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,00005 0,00005 0,02 0,905
Error 6 0,01930 0,00322
Total 7 0,01935
S = 0,05672 R-Sq = 0,26% R-Sq(adj) = 0,00%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev -+---------+---------+---------+--------
30-35 4 0,18500 0,05447 (----------------*-----------------)
30-35 G065-24 4 0,19000 0,05888 (-----------------*----------------)
-+---------+---------+---------+--------
0,120 0,160 0,200 0,240
Pooled StDev = 0,05672
One-way ANOVA: 40-35; 40-35 G065-24
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,404 0,404 1,43 0,247
Error 19 5,372 0,283
Total 20 5,776
S = 0,5317 R-Sq = 7,00% R-Sq(adj) = 2,10%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev --+---------+---------+---------+-------
40-35 14 0,6400 0,6397 (---------*---------)
40-35 G065-24 7 0,3457 0,0940 (-------------*-------------)
--+---------+---------+---------+-------
0,00 0,30 0,60 0,90
Pooled StDev = 0,5317
85
One-way ANOVA: 40-40; 40-40 G065-24
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,054 0,054 0,24 0,633
Error 18 4,130 0,229
Total 19 4,184
S = 0,4790 R-Sq = 1,30% R-Sq(adj) = 0,00%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev --+---------+---------+---------+-------
40-40 16 0,5801 0,5221 (-------*--------)
40-40 G065-24 4 0,4500 0,1163 (----------------*----------------)
--+---------+---------+---------+-------
0,00 0,30 0,60 0,90
Pooled StDev = 0,4790
10.1.4 Análise de variância para os dados da Tabela 5-4 - Efeito da
concentraçao do glutaraldeído na resistência mecânica
One-way ANOVA: Não; G0,65
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,404 0,404 1,43 0,247
Error 19 5,372 0,283
Total 20 5,776
S = 0,5317 R-Sq = 7,00% R-Sq(adj) = 2,10%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev --+---------+---------+---------+-------
Não 14 0,6400 0,6397 (---------*---------)
G0,65 7 0,3457 0,0940 (-------------*-------------)
--+---------+---------+---------+-------
0,00 0,30 0,60 0,90
Pooled StDev = 0,5317
86
One-way ANOVA: Não; G1,0
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,262 0,262 0,79 0,389
Error 16 5,333 0,333
Total 17 5,594
S = 0,5773 R-Sq = 4,68% R-Sq(adj) = 0,00%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev -------+---------+---------+---------+--
Não 14 0,6400 0,6397 (--------*---------)
G1,0 4 0,3500 0,0668 (----------------*----------------)
-------+---------+---------+---------+--
0,00 0,35 0,70 1,05
Pooled StDev = 0,5773
One-way ANOVA: Não; G2,5
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,000 0,000 0,00 0,994
Error 16 5,422 0,339
Total 17 5,422
S = 0,5821 R-Sq = 0,00% R-Sq(adj) = 0,00%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev ---------+---------+---------+---------+
Não 14 0,6400 0,6397 (--------*---------)
G2,5 4 0,6425 0,1852 (----------------*-----------------)
---------+---------+---------+---------+
0,35 0,70 1,05 1,40
Pooled StDev = 0,5821
87
10.1.5 Análise de Variância dos dados da Tabela 5-7 - Efeito do tempo de
fixação química na resistência mecânica
One-way ANOVA: 24 horas; 15 dias
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,0861 0,0861 2,81 0,155
Error 5 0,1533 0,0307
Total 6 0,2395
S = 0,1751 R-Sq = 35,97% R-Sq(adj) = 23,16%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev ---------+---------+---------+---------+
24 horas 4 0,6425 0,1852 (----------*----------)
15 dias 3 0,8667 0,1589 (------------*------------)
---------+---------+---------+---------+
0,60 0,80 1,00 1,20
10.1.6 Análise de Variância dos dados da Tabela 5-8 - Resistência
mecânica: Tecido soldado x tecido suturado
One-way ANOVA: Solda e Fixado; Sutura e fixado
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,8907 0,8907 22,85 0,005
Error 5 0,1949 0,0390
Total 6 1,0857
S = 0,1975 R-Sq = 82,04% R-Sq(adj) = 78,45%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev ---------+---------+---------+---------+
Solda e Fixado 4 0,6425 0,1852 (------*-------)
Sutura e fixado 3 1,3633 0,2146 (-------*-------)
---------+---------+---------+---------+
0,70 1,05 1,40 1,75
Pooled StDev = 0,1975
88
10.1.7 Análise de Variância dos dados da Tabela 5-9 - Resistência
mecânica: Tecido soldado x tecido íntegro
One-way ANOVA: solda; fresco
Source DF SS MS F P
Factor 1 14,440 14,440 35,44 0,000
Error 23 9,371 0,407
Total 24 23,811
S = 0,6383 R-Sq = 60,65% R-Sq(adj) = 58,93%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev -----+---------+---------+---------+----
solda 14 0,6400 0,6397 (-----*-----)
fresco 11 2,1711 0,6365 (-----*------)
-----+---------+---------+---------+----
0,60 1,20 1,80 2,40
Pooled StDev = 0,6383
One-way ANOVA: solda e fixado; fresco e fixado
Source DF SS MS F P
Factor 1 32,216 32,216 78,72 0,000
Error 7 2,865 0,409
Total 8 35,081
S = 0,6397 R-Sq = 91,83% R-Sq(adj) = 90,67%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev -+---------+---------+---------+--------
solda e fixado 4 0,6425 0,1852 (----*----)
fresco e fixado 5 4,4500 0,8310 (----*---)
-+---------+---------+---------+--------
0,0 1,5 3,0 4,5
Pooled StDev = 0,6397
89
One-way ANOVA: fresco e fixado; íntegro na estufa e fixado
Source DF SS MS F P
Factor 1 5,461 5,461 10,85 0,017
Error 6 3,020 0,503
Total 7 8,481
S = 0,7095 R-Sq = 64,39% R-Sq(adj) = 58,46%
Level N Mean StDev
fresco e fixado 5 4,4500 0,8310
íntegro na estufa e fixad 3 2,7433 0,3592
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level ---+---------+---------+---------+------
fresco e fixado (------*-------)
íntegro na estufa e fixad (---------*---------)
---+---------+---------+---------+------
2,0 3,0 4,0 5,0
Pooled StDev = 0,7095
One-way ANOVA: solda e fixado; íntegro na estufa e fixado
Source DF SS MS F P
Factor 1 7,5660 7,5660 104,81 0,000
Error 5 0,3609 0,0722
Total 6 7,9269
S = 0,2687 R-Sq = 95,45% R-Sq(adj) = 94,54%
Level N Mean StDev
solda e fixado 4 0,6425 0,1852
íntegro na estufa e fixad 3 2,7433 0,3592
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level ------+---------+---------+---------+---
solda e fixado (---*---)
íntegro na estufa e fixad (----*----)
------+---------+---------+---------+---
0,80 1,60 2,40 3,20
Pooled StDev = 0,2687
90
10.1.8 Análise de Variância dos dados da Tabela 5-10 - Resistência
mecânica: Tecido soldado x tecido íntegro após alta desidratação
One-way ANOVA: Soldado; Íntegro
Source DF SS MS F P
Factor 1 0,01 0,01 0,00 0,970
Error 3 10,06 3,35
Total 4 10,06
S = 1,831 R-Sq = 0,06% R-Sq(adj) = 0,00%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev ---+---------+---------+---------+------
Soldado 2 10,745 2,114 (---------------*---------------)
Íntegro 3 10,677 1,671 (-------------*------------)
---+---------+---------+---------+------
7,5 10,0 12,5 15,0
Pooled StDev = 1,831
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