Nota de Aplicação | ElastoSens™ Bio
Medição das propriedades mecânicas da pele com o ElastoSens™ Bio
Introdução
A pele não é apenas o maior órgão do corpo, mas também uma barreira mecânica dinâmica que protege contra o estresse ambiental, regula o equilíbrio hídrico e contribui para a percepção sensorial. Sua função depende fortemente da organização estrutural do colágeno, da elastina e de outros componentes dérmicos, que, juntos, dão origem a comportamentos mecânicos únicos, como elasticidade, rigidez e viscoelasticidade. A medição dessas propriedades fornece insights sobre como a pele responde às forças do dia a dia, desde o alongamento e a compressão até o cisalhamento. Ao estudá-las, cientistas e médicos podem compreender melhor como a pele saudável funciona, detectar sinais precoces de doenças e desenvolver terapias que restaurem ou preservem seu desempenho.
Principais propriedades mecânicas da pele
Elasticidade
A elasticidade reflete a capacidade da pele de retornar à sua forma original após ser deformada. Ela é determinada principalmente pela rede de fibras elásticas, que permite que a pele recupere sua forma após ser esticada ou submetida a uma força de sucção. Estudos clínicos mostram que a elasticidade diminui significativamente com a idade, afetando a firmeza e a aparência da pele.
Rigidez
A rigidez descreve o grau de resistência da pele à deformação sob carga. Ela é fortemente influenciada pela organização do colágeno na derme, sendo a localização anatômica e a idade fatores determinantes importantes. Pesquisas demonstram que as camadas mais profundas, como a derme reticular, são geralmente mais rígidas do que as camadas papilares superficiais, e que a rigidez diminui progressivamente ao longo da vida.
Viscoelasticidade
A pele apresenta respostas tanto viscosas quanto elásticas quando submetida a tensão, o que significa que parte da deformação se recupera imediatamente, enquanto outra parte se recupera lentamente ao longo do tempo. Esse comportamento viscoelástico reflete a interação entre o colágeno, a elastina e a matriz extracelular, e é essencial para a capacidade da pele de suportar cargas mecânicas contínuas ou repetitivas.
Anisotropia
A resposta mecânica da pele varia de acordo com a direção da força aplicada, uma propriedade conhecida como anisotropia. Essa dependência direcional está relacionada à orientação das fibras de colágeno (por exemplo, ao longo das linhas de Langer) e afeta a forma como a pele se estica ou resiste ao rasgo em diferentes regiões do corpo.
Relação entre doenças e propriedades mecânicas da pele
Esclerose sistêmica
Na esclerose sistêmica, a pele fica visivelmente mais rígida e menos elástica devido ao acúmulo excessivo de colágeno e à fibrose. A medição de parâmetros mecânicos, como a redução da elasticidade ou o aumento da dureza, ajuda a avaliar a progressão da doença e os resultados do tratamento.
Morfia e esclerodermia localizada
Doenças fibróticas localizadas, como a morfeia, alteram a rigidez e a espessura da pele. Métodos de avaliação mecânica, especialmente a sucção e a indentação, podem quantificar essas alterações, auxiliando tanto no diagnóstico quanto no acompanhamento terapêutico.
Fotoenvelhecimento
A exposição crônica aos raios UV acelera a degradação do colágeno e das fibras elásticas, levando à redução da elasticidade e ao aumento da flacidez. Medições mecânicas revelam que a pele fotoenvelhecida se recupera com menos eficácia após a deformação, o que explica o aspecto clínico das rugas e da flacidez.
Cicatrizes de queimaduras e fibrose
O tecido cicatricial e a remodelação fibrótica após queimaduras alteram significativamente as propriedades viscoelásticas da pele, resultando frequentemente em rigidez excessiva e redução da elasticidade. A medição objetiva dessas propriedades tem sido cada vez mais utilizada para acompanhar a maturação da cicatriz e avaliar intervenções terapêuticas.
Como é avaliada a mecânica do tecido cutâneo
Técnicas in vivo (clínicas)
Na prática clínica, as propriedades mecânicas da pele são geralmente avaliadas por meio de técnicas não invasivas, como o teste de sucção, a indentação ou a carga torcional. Esses métodos aplicam uma força mecânica suave diretamente na superfície da pele e monitoram como o tecido se deforma e se recupera. Como podem ser realizados com segurança e rapidez nos pacientes, são amplamente utilizados para avaliar a elasticidade, a firmeza e a viscoelasticidade em relação ao envelhecimento, a doenças ou à resposta ao tratamento. Seu valor reside em fornecer medições padronizadas e reproduzíveis que traduzem a “sensação” da pele em dados objetivos, apoiando a dermatologia, a cirurgia plástica e a ciência cosmética.
Técnicas ex vivo (pesquisa)
Em contextos de pesquisa, os ensaios mecânicos de amostras de pele biopsiadas permitem uma exploração mais aprofundada do comportamento estrutural do tecido. Os ensaios de tração podem esticar a pele até que ela se rompa, revelando as relações tensão-deformação; os ensaios de indentação podem avaliar a rigidez localizada; os ensaios de torção podem avaliar a resistência à torção; e as abordagens reológicas podem capturar as propriedades viscoelásticas. Como as amostras podem ser estudadas camada por camada, os pesquisadores conseguem relacionar características estruturais, como as redes de colágeno e elastina, ao desempenho mecânico macroscópico da pele. Esses métodos ex vivo fornecem um panorama detalhado da biomecânica da pele que não pode ser obtido in vivo, ajudando a impulsionar áreas como a medicina regenerativa, o projeto de biomateriais e o desenvolvimento de terapias direcionadas a alterações relacionadas à idade ou patológicas.
Estudo de caso: Caracterização mecânica do tecido cutâneo com o ElastoSens™ Bio
ElastoSens™ Bio: uma ferramenta sem contato para testes de tecidos ex vivo
No campo da biomecânica da pele, o ElastoSens™ Bio oferece um método avançado para testes ex vivo. Este instrumento mede as propriedades viscoelásticas da pele de forma contínua e não destrutiva, garantindo que a integridade da amostra seja mantida ao longo de todo o experimento. Sua tecnologia permite a caracterização precisa de tecidos biológicos moles e possibilita medições repetidas ao longo do tempo em condições ambientais controladas, complementando e ampliando, assim, as informações fornecidas pelos ensaios mecânicos convencionais.
Para demonstrar o potencial do ElastoSens™ Bio, realizamos um estudo ex vivo com amostras de pele. A seção a seguir apresenta os materiais e métodos utilizados neste experimento, seguida dos resultados, oferecendo um exemplo prático da aplicação do instrumento.
Material e Métodos
Peles de ovelha e de vaca foram obtidas frescas em uma fazenda local. As amostras foram aparadas até atingirem uma espessura de aproximadamente 1,8 mm, correspondente à epiderme e à derme sem a hipoderme subjacente, e cortadas em círculos para serem colocadas nos suportes de membrana do ElastoSens™ Bio (Figura 1). Para evitar o ressecamento, as amostras foram imersas em solução salina tamponada com fosfato (PBS) durante a noite a 4 °C antes do teste. Cada amostra foi então colocada no instrumento ElastoSens™ Bio a 25 °C por 1 hora para se equilibrar. O excesso de PBS foi removido cuidadosamente antes da medição.
O instrumento forneceu parâmetros viscoelásticos em tempo real, incluindo o módulo de armazenamento de cisalhamento (G′) e o módulo de perda de cisalhamento (G″). Para cada condição, os resultados foram expressos como valores médios obtidos a partir de três amostras, coletadas de diferentes regiões da mesma camada da pele (n = 3).
Figura 1. Tecido de pele de ovelha e de vaca preparado e colocado nos suportes de membrana ElastoSens™ Bio para caracterização viscoelástica não destrutiva. O painel superior mostra a amostra de pele intacta antes do corte, e o painel inferior mostra porções representativas da pele fixadas nos suportes para o teste.
Resultados e Discussão
As propriedades viscoelásticas da pele de ovelha e de vaca foram avaliadas utilizando o sistema de testes ElastoSens™ Bio (Figura 2). Para a pele de ovelha, o módulo de armazenamento ao cisalhamento (G′) foi, em média, de 6,11 ± 1,62 kPa (n = 3), enquanto a pele de vaca apresentou um valor ligeiramente inferior, de 4,92 ± 0,24 kPa (n = 3). Manan et al. (2015) mediram a pele bovina da região da dobra da nádega (com cerca de 3 mm de espessura, epiderme + derme com a hipoderme removida) por meio de tração uniaxial, relatando um módulo de Young médio de 12,57 MPa, correspondente a um módulo de cisalhamento para pequenas deformações de aproximadamente 94 kPa.
As diferenças entre nossos valores e aqueles relatados na referência mencionada podem ser atribuídas a variações na tecnologia e nas condições de ensaio, incluindo o modo de deformação (tração versus cisalhamento), o nível de deformação, a temperatura e o tempo de ensaio, bem como a preparação da amostra e a direção da medição. De modo geral, o ElastoSens™ Bio avalia amostras hidratadas sob cisalhamento oscilatório de pequena deformação, condições que capturam a resposta elástica do tecido e preservam sua estrutura. Esse módulo na faixa de kPa, portanto, fornece uma representação fisiologicamente relevante da pele em sua função natural como barreira protetora e de suporte de carga.
Figura 2: Propriedades viscoelásticas do tecido cutâneo de ovelhas e vacas: módulo de armazenamento ao cisalhamento (G′) obtido com o sistema de ensaio não destrutivo ElastoSens™ Bio (média ± desvio padrão, n = 3).
Conclusões e Perspectivas
As propriedades mecânicas do tecido cutâneo — definidas pela elasticidade, viscoelasticidade e anisotropia estrutural — são fundamentais para a compreensão de suas funções fisiológicas na proteção, na função de barreira e na percepção sensorial. Os testes viscoelásticos não destrutivos com o ElastoSens™ Bio permitem a quantificação confiável da mecânica da pele, capturando parâmetros-chave, como o módulo de armazenamento de cisalhamento (G′) e o módulo de perda de cisalhamento (G″). Essa abordagem fornece dados precisos e reproduzíveis, oferecendo uma base sólida tanto para pesquisas biomédicas quanto para estudos de dermatologia translacional. Além dessas descobertas, o ElastoSens™ Bio oferece vantagens únicas para pesquisas sobre a pele e os tecidos moles:
- A preparação e a montagem simples minimizam o manuseio, ao mesmo tempo em que preservam a hidratação e a integridade estrutural.
- A alta sensibilidade e repetibilidade permitem medições consistentes em diferentes locais anatômicos, captando a variabilidade regional.
- A análise comparativa entre espécies facilita a pesquisa translacional ao comparar diretamente a mecânica da pele em modelos animais e em seres humanos.
- A versatilidade da plataforma permite a realização de testes em diversos tecidos moles e biomateriais em condições idênticas, tornando-a útil para o desenvolvimento de substitutos cutâneos, arcabouços ou materiais para a cicatrização de feridas.
- A incubação controlada e a realização de testes repetidos permitem monitorar as alterações viscoelásticas ao longo do tempo, sejam elas decorrentes do envelhecimento, da exposição aos raios UV, de tratamento farmacológico ou de condições patológicas.
- As aplicações de tecidos engenheirados também se beneficiam de medições não destrutivas e repetidas que refletem a evolução dinâmica das estruturas cutâneas bioengenheiradas.
Em conjunto, essas capacidades posicionam o ElastoSens™ Bio como uma ferramenta poderosa para aprofundar nossa compreensão da biomecânica da pele, apoiar a fisiologia comparativa e orientar o desenvolvimento de biomateriais e terapias destinadas a restaurar ou melhorar a função da pele.
Referências
Kalra, A., Lowe, A., & Al-Jumaily, A. M. (2016). Mechanical behaviour of skin: a review. J. Mater. Sci. Eng, 5(4), 1000254.
Lynch, B., Pageon, H., Le Blay, H., Brizion, S., Bastien, P., Bornschlögl, T., & Domanov, Y. (2022). A mechanistic view on the aging human skin through ex vivo layer-by-layer analysis of mechanics and microstructure of facial and mammary dermis. Scientific reports, 12(1), 849.
Junker, H. J., Thumm, B., Halvachizadeh, S., & Mazza, E. (2023). A quantitative comparison of devices for in vivo biomechanical characterization of human skin. Mechanics of soft materials, 5(1), 5.
Luebberding, S., Krueger, N., & Kerscher, M. (2014). Mechanical properties of human skin in vivo: a comparative evaluation in 300 men and women. Skin Research and Technology, 20(2), 127-135.
Manan, N. F. A., Mahmud, J., & Jumahat, A. (2015). Biomechanical behaviour of bovine skin: An experiment-theory integration and finite element simulation. Jurnal Teknologi, 76(10), 103–111.
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