Um tema relevante de pesquisa em pneumologia atualmente é a contratilidade de via aérea, e como a mesma é modulada por estímulos mecânicos e farmacológicos. De modo a contribuir com este campo de pesquisa, este projeto tem por objetivo a execução de medições de grandezas associadas à mecânica respiratória de vias aéreas isoladas in vitro para avaliar sua resposta a estímulos externos como alterações de pressão transmural, estiramento, poluentes e drogas. Para tal finalidade, foi integrada uma nova instrumentação de processamento de imagens e condicionamento/estimulação de tecidos aos equipamentos já em uso em diversas pesquisas pelo Laboratório de Engenharia Biomédica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Este ambiente foi testado em corpos de prova; foi avaliado o efeito da pressão transmural na mecânica de traqueias e o ambiente foi utilizado na análise do efeito de bronco-constritores na mecânica respiratória de traqueias decelularizadas (utilizadas em transplante traqueal). Os testes em corpos de prova demonstraram a capacidade do ambiente em executar as medidas de interesse; os estudos com pressão transmural quantificaram a expansão das paredes da traqueia com o incremento da pressão interna e os estudos com traqueias decelularizadas mostram que as mesmas não respondem a broncoconstritores, ao contrário de traqueias normais que apresentaram indícios de contração. Desta forma, o ambiente foi capaz de realizar pesquisas de contratilidade de via aérea, demonstrando indícios da insensibilidade de traqueias decelularizadas a bronco-constritores. / Currently, a relevant field in the research of pulmonology is the contractibility of airways, and their modulation through mechanical and pharmacological stimuli. In order to contribute to this research, the goal of this project is to execute measurements of respiratory mechanic indicators to assess the behavior of isolated airways in vitro to external stimuli such as modifications in transmural pressure, dynamic stretching, pollution and drugs. For this purpose a new image processing and tissue conditioning/stimulation environment was integrated with the existing instrumentation already in use by the Biomedical Engineering Laboratory in the Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. The environment was tested in tubular structures mimicking airways, the effect of transmural pressure in the respiratory mechanics of trachea was assessed and the environment was used in the research of the effect that bronchoconstrictor drugs have on the respiratory mechanics of decellularized tracheas (used in tracheal transplants). The tests in tubular structures proved the environments capacity to execute the desired measurements; the expansion of the tracheal walls with the rise of internal pressure was quantified and the experiments with decellularized tracheas show that they are not responsive to bronchoconstrictor durgs, opposite to normal tracheas that presented evidences of contraction. The environment succeeded in the execution of research of airway contractibility and demonstrated evidences of insensitivity of decellularized trachea to bronchoconstrictor drugs.

Um tema relevante de pesquisa em pneumologia atualmente é a contratilidade de via aérea, e como a mesma é modulada por estímulos mecânicos e farmacológicos. De modo a contribuir com este campo de pesquisa, este projeto tem por objetivo a execução de medições de grandezas associadas à mecânica respiratória de vias aéreas isoladas in vitro para avaliar sua resposta a estímulos externos como alterações de pressão transmural, estiramento, poluentes e drogas. Para tal finalidade, foi integrada uma nova instrumentação de processamento de imagens e condicionamento/estimulação de tecidos aos equipamentos já em uso em diversas pesquisas pelo Laboratório de Engenharia Biomédica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Este ambiente foi testado em corpos de prova; foi avaliado o efeito da pressão transmural na mecânica de traqueias e o ambiente foi utilizado na análise do efeito de bronco-constritores na mecânica respiratória de traqueias decelularizadas (utilizadas em transplante traqueal). Os testes em corpos de prova demonstraram a capacidade do ambiente em executar as medidas de interesse; os estudos com pressão transmural quantificaram a expansão das paredes da traqueia com o incremento da pressão interna e os estudos com traqueias decelularizadas mostram que as mesmas não respondem a broncoconstritores, ao contrário de traqueias normais que apresentaram indícios de contração. Desta forma, o ambiente foi capaz de realizar pesquisas de contratilidade de via aérea, demonstrando indícios da insensibilidade de traqueias decelularizadas a bronco-constritores. / Currently, a relevant field in the research of pulmonology is the contractibility of airways, and their modulation through mechanical and pharmacological stimuli. In order to contribute to this research, the goal of this project is to execute measurements of respiratory mechanic indicators to assess the behavior of isolated airways in vitro to external stimuli such as modifications in transmural pressure, dynamic stretching, pollution and drugs. For this purpose a new image processing and tissue conditioning/stimulation environment was integrated with the existing instrumentation already in use by the Biomedical Engineering Laboratory in the Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. The environment was tested in tubular structures mimicking airways, the effect of transmural pressure in the respiratory mechanics of trachea was assessed and the environment was used in the research of the effect that bronchoconstrictor drugs have on the respiratory mechanics of decellularized tracheas (used in tracheal transplants). The tests in tubular structures proved the environments capacity to execute the desired measurements; the expansion of the tracheal walls with the rise of internal pressure was quantified and the experiments with decellularized tracheas show that they are not responsive to bronchoconstrictor durgs, opposite to normal tracheas that presented evidences of contraction. The environment succeeded in the execution of research of airway contractibility and demonstrated evidences of insensitivity of decellularized trachea to bronchoconstrictor drugs.

Este trabalho é uma contribuição importante para o desenvolvimento de um modelo numérico de arênquima pulmonar capaz de simular manobras de ventilação mecânica. O pulmão é um órgão estruturalmente complexo e hierarquizado. Por isso uma revisão bibliográfica multidisciplinar foi realizada. A revisão apresenta as propriedades mecânicas do parênquima, sua morfologia e os efeitos da tensão superficial para a contração e adesão dos septos interalveolares. Um aspecto importante para o modelo de alvéolo é um modelo de contato com adesão causada pela tensão superficial. Um modelo de contato adesivo simplificado foi desenvolvido e simulado em uma estrutura com parâmetros de mesma ordem de grandeza de um alvéolo real. A simulação foi realizada com o método dos elementos finitos não-linear e foi necessário empregar o método da corda para evitar divergência em pontos limites. Os resultados numéricos se aproximaram de resultados experimentais globai no pulmão com pressões de mesma ordem de grandeza. / This work is an important step on the development of a computational model of lung parenchyma capable to simulate mechanical ventilation maneuveres. The lung has a complex and hierarchized structure. Therefore a multidisciplinary literature review was held. The review presents the mechanical properties of the parenchyma, its morphology and the effects of surface tension to septums contraction and adhesion. An important aspect for the alveolus model is a contact model which includes the adhesion caused by surface tension. Thus a simplified model was developed and then simulated in a structure with properties of the same order of magnitude of a real alveolus. The simulation was performed with the nonlinear finite element method. The implementation of the arc-length method was also necessary in order to prevent diversion at limit points. The numerical results were close to whole lung experimental results with pressure levels of the same order of magnitude.

Este trabalho é uma contribuição importante para o desenvolvimento de um modelo numérico de arênquima pulmonar capaz de simular manobras de ventilação mecânica. O pulmão é um órgão estruturalmente complexo e hierarquizado. Por isso uma revisão bibliográfica multidisciplinar foi realizada. A revisão apresenta as propriedades mecânicas do parênquima, sua morfologia e os efeitos da tensão superficial para a contração e adesão dos septos interalveolares. Um aspecto importante para o modelo de alvéolo é um modelo de contato com adesão causada pela tensão superficial. Um modelo de contato adesivo simplificado foi desenvolvido e simulado em uma estrutura com parâmetros de mesma ordem de grandeza de um alvéolo real. A simulação foi realizada com o método dos elementos finitos não-linear e foi necessário empregar o método da corda para evitar divergência em pontos limites. Os resultados numéricos se aproximaram de resultados experimentais globai no pulmão com pressões de mesma ordem de grandeza. / This work is an important step on the development of a computational model of lung parenchyma capable to simulate mechanical ventilation maneuveres. The lung has a complex and hierarchized structure. Therefore a multidisciplinary literature review was held. The review presents the mechanical properties of the parenchyma, its morphology and the effects of surface tension to septums contraction and adhesion. An important aspect for the alveolus model is a contact model which includes the adhesion caused by surface tension. Thus a simplified model was developed and then simulated in a structure with properties of the same order of magnitude of a real alveolus. The simulation was performed with the nonlinear finite element method. The implementation of the arc-length method was also necessary in order to prevent diversion at limit points. The numerical results were close to whole lung experimental results with pressure levels of the same order of magnitude.