Biomecânica cria separador de costelas que evita quebra de ossos
A placa na porta de um armazém de tabaco diz "Physcient". No interior há algumas salas que, dependendo de onde se olha, parecem ateliês de arte, lojas de máquinas ou um museu de história natural. Um torno mecânico descansa ao lado de uma grade de prensa; em outras paredes há morsas, enormes braçadeiras em vermelho esmaltado, microscópios e tábuas de compensado cobertas de eletrônicos. Mas há também esculturas de insetos tecidas em tear, ao lado de caixas envidraçadas abrigando lagartos voadores preservados. Moldes de costelas humanas ficam espalhados em mesas. Um enorme e assustador molde de mandíbula de peixe repousa numa fileira de livros.
A Physcient é, de fato, uma empresa de tecnologia médica. Mas a decoração se baseia nas excepcionais carreiras de seus cofundadores, Hugh Crenshaw e Charles Pell. Ambos começaram estudando biomecânica " como criaturas voam, nadam e rastejam. Pell construiu modelos de músculos e cabeças de peixe.
Crenshaw conseguiu seu doutorado descobrindo como criaturas unicelulares nadam. Ao longo dos últimos 20 anos, eles transformaram lucrativamente seu conhecimento de biomecânica em invenções, de submarinos robóticos a classificadores de pílulas.
Agora eles estão se voltando ao mundo da cirurgia. Os instrumentos atualmente usados por cirurgiões, dizem eles, foram inventados antes que a biomecânica se tornasse uma ciência madura " e trabalham contra a física do corpo, em vez de com ela. "As tecnologias permaneceram incrivelmente inalteradas", afirmou Crenshaw. "Talvez possamos fazer melhor".
Crenshaw e Pell estão começando com um separador de costelas mais suave e delicado. Cirurgiões costumam enxergar as costelas quebradas, e outras dolorosas consequências das cirurgias abertas de coração, como inevitáveis.
Porém, Crenshaw e Pell inventaram um novo tipo de separador de costelas que leva em conta como os ossos podem se curvar, em vez de quebrar. Seus estudos pré-clínicos em porcos sugerem que a técnica reduz bastante os danos.
Caso funcione como o esperado, os inventores partirão para outras ferramentas nesse campo. "Toda a bandeja cirúrgica será transformada", declarou Pell.
Quando menino, Pell era, em suas próprias palavras, "um nerd congênito".
Passava seu tempo livre construindo foguetes, carros e máquinas de ondas.
Ele frequentou uma escola de artes e obteve mestrado em escultura, mas suas obras estavam mais para robôs do que para bustos de mármore. Após o doutorado, Pell foi para a Califórnia, onde acabou sendo diretor de pesquisa e desenvolvimento de uma empresa que construía dinossauros robóticos para exposições em museus. Ele continuou desenvolvendo projetos estranhos, como um arco cheio de água por onde os peixes podiam atravessar de uma lagoa a outra.
Para desvendar se um peixe poderia fisicamente sobreviver à jornada pela ponte de água, Pell chamou Stephen Wainwright, pioneiro em biomecânica da Duke University. "Ele respondeu: 'Quem é você, e por que está fazendo isso?"', recordou Pell. Apesar das incertezas iniciais, no fim da conversa Wainwright se ofereceu para trazer Pell a Duke para uma visita. Não muito tempo depois, Pell se tornou diretor do BioDesign Studio, na universidade.
No estúdio, Pell ajudou Wainwright e seus colegas a construir modelos para testar ideias em biomecânica, criando modelos de colunas vertebrais, músculos, mandíbulas e dúzias de outras partes animais. "Esses modelos podem surpreendê-lo fisicamente", afirmou Pell. "Eles podem lhe mostrar coisas que você nem havia pensado antes de construí-los".
Uma das maiores surpresas de Pell chegou enquanto ele tentava produzir um simples modelo de peixe nadando. Após construir um tubo de borracha com uma frente arredondada, ele enfiou uma vareta nesse tubo até um quarto de seu comprimento. Colocando o tubo na água e agitando a vareta para frente e para trás entre seus dedos, isso gerava uma onda com a cauda. Enquanto construía uma nova versão do tubo, Pell acidentalmente cortou a ponta da cauda. O novo formato, segundo descobriu, fazia a água fluir num padrão diferente ao redor do tubo, criando propulsão.
Pell, Wainwright e colegas registraram patente do projeto e abriram uma empresa, chamada Nekton, para desenvolver produtos com ele. Primeiro, eles transformaram a invenção num bem sucedido brinquedo de banheira. Porém, quando a marinha dos EUA descobriu que Pell e seus colegas podiam criar uma impulsão similar à dos peixes sem usar quaisquer peças móveis, eles o encorajaram a entrar no negócio de construir robôs submarinos. Pell e seus colegas da Nekton acabaram fabricando um robô altamente manobrável com um metro de comprimento, chamado "Pilot Fish" ("peixe piloto", em tradução literal).
"Começamos como fábrica de brinquedos e acabamos como fornecedores da defesa nacional", resumiu Pell.
Uma das pessoas que encorajou Pell a entrar no negócio foi Crenshaw. Na época, Crenshaw estava na Duke estudando uma questão particularmente delicada na biomecânica: como nadam os organismos marinhos microscópicos. A maioria das criaturas marinhas com tamanho entre 3 milímetros e 30 mícrons nada em espiral. "É o padrão de movimento mais encontrado no mundo", disse Crenshaw.
Apesar dos fortes movimentos giratórios, criaturas que nadam em espiral conseguem se localizar muito bem. Para descobrir o truque, Crenshaw construiu um tanque onde pudesse filmar os organismos espiralando em três dimensões. Ele descobriu que os organismos navegavam ao sentir a intensidade de um estímulo " luz em alguns casos, elementos químicos em outros. Se o organismo está se movendo diretamente para o estímulo, o nível não altera.
Se ele se desviar para a direção errada, o estímulo enfraquece. O organismo pode simplesmente mudar a curva de seu movimento para trocar de direção. "É uma regra bem simples", disse ele.
Crenshaw e Pell descobriram que sua obsessão pela biomecânica era igualmente profunda. "Se Chuck e eu começávamos a conversar em alguma sala, uma tarde se passava e o quadro-negro era apagado quatro vezes antes que terminássemos", contou Crenshaw. Certa noite eles esboçaram um projeto num guardanapo " de um robô que nadava em espirais.
Eles venceram outra concessão do Departamento de Defesa e começaram a construir um novo robô, apelidado de MicroHunter. Era pequeno " o tamanho de um charuto " e primorosamente simples. Crenshaw e Pell embutiram um sensor de luz numa ponta, um propulsor na outra. O propulsor era programado para empurrar o robô num caminho em espiral, o que podia ser ajustado conforme mudavam os níveis de luz.
Crenshaw testou o robô pela primeira vez numa piscinada Duke. Ele apagou as luzes do ginásio e montou uma luz no lado mais fundo da piscina. Então ele colocou o robô no lado raso, apontado à outra direção. "Ele fez meia-volta, percorreu a piscina e atingiu a luz do fundo", disse ele. "Foi uma estreia perfeita".
Crenshaw e Pell ajudaram a abrir caminho para que outros especialistas em biomecânica transformassem ideias em tecnologia. Alguns pesquisadores estão construindo âncoras que se auto-enterram, inspiradas numa espécie de moluscos. Outros estão agregando saliências nas extremidades de lâminas de moinhos, imitando barbatanas de baleias.
Após as aventuras com o MicroHunter, Pell e Crenshaw caminharam em direções distintas por alguns anos. Crenshaw deixou a Duke em 2001, para trabalhar na companhia farmacêutica GlaxoSmithKline. Ele projetou labirintos de tubos microscópicos para uso em testes de novas drogas. Enquanto isso, Pell continuou criando novas invenções na Nekton, como um rápido robô classificador de pílulas. Em 2008, a empresa de robótica iRobot, em Massachusetts, comprou a Nekton por US$10 milhões.
Crenshaw saiu da GlaxoSmithKline em 2007, e começou a montar os alicerces da Physcient. Decidiu trablhar em tecnologia médica, esperando que sua experiência com biomecânica lhe ajudasse a enxergar oportunidades para novos dispositivos. Após arrancar Pell de sua aposentadoria pós-Nekton, logo os dois inventores descobriram um equipamento médico clamando por uma reformulação biomecânica: o separador de costelas.
Anualmente, cirurgiões usam os separadores para abrir o peito de aproximadamente 2 milhões de pessoas, consertar seus corações e fechá-los novamente. Todos os separadores em uso hoje são variações do modelo inventado pelo cirurgião argentino Enrique Finochietto, em 1936. Finochietto usou uma manivela entortada que abria dois braços de metal.
O separador de costelas de Finochietto faz o serviço, mas pode causar sérios efeitos colaterais. Pesquisas indicam que de 10 a 34 por cento dos pacientes acabam com costelas fraturadas. Algumas vezes, nervos são esmagados e ligamentos podem se romper. Após a cirurgia, alguns pacientes precisam de forte sedação contra a dor e sua respiração rasa pode deixá-los propensos à pneumonia. Mesmo depois de deixar o hospital, alguns pacientes continuam com dores durante meses.
"Ali havia espaço para algo diferente", declarou Peter Smith, chefe de cirurgia torácica da Escola de Medicina da Duke University e conselheiro da Physcient.
Dados todos os efeitos colaterais, Crenshaw e Pell estranharam a quantidade mínima de pesquisas sobre as forças geradas pelo separador. "Não conseguimos entender por que as pessoas não mediram as forças sobre a costela quando havia calibradores de tensão para isso", disse Pell.
Crenshaw e Pell colaboraram com Greg Buckner, engenheiro da North Carolina State University, e o Dr. Gil Bolotin, chefe de cirurgia cardíaca do Rambam Health Care Campus, em Haifa, Israel. Buckner e Bolotin haviam desenvolvido uma tecnologia para mensurar as forças geradas pelo separador de costelas. A Physcient licenciou a tecnologia.
Em seguida, a equipe da Physcient começou a medir a força do separador em porcos, animais biomecanicamente similares aos humanos, e descobriram que o separador de costelas de Finochietto aplicava golpes de força que se intensificavam até igualar o peso total do porco. "Seria quase o equivalente a pendurar o paciente pela costela depois de aberta, simplesmente suspendê-lo no ar", afirmou Pell.
"Eu disse: 'Bem, se eu entendo alguma coisa do assunto, aqui temos um projeto de biomecânica", completou Crenshaw.
Ossos podem ser duros, mas não são quebradiços como giz. Fibras de colágeno e outras proteínas elásticas permitem que eles se flexionem, como um galho verde de árvore. Dobre um galho rápido demais, e ele se quebrará; aplique a mesma força lentamente, e as fibras do galho ganharão tempo suficiente para se esticar e deslocar.
Crenshaw, Pell e seus colegas iniciaram a construção de um separador de costelas que aproveitasse a física dos ossos e outros tecidos. Em sua oficina, eles construíram um protótipo que era suavemente aberto por um motor " em vez de empurrado como uma alavanca manual. No lugar das duas barras retas, eles conceberam duas fileiras de ganchos curvos de metal, cada um dos quais podendo embalar uma única costela ou parte do esterno.
Seus primeiros testes foram conduzidos em porcos comprados num açougue, onde registraram a tensão das costelas em diferentes velocidades. Eles notaram que, alguns segundos antes de uma costela se fraturar, era possível detectar pequenos estalos. O som vinha de fibras individuais se rompendo dentro do osso. Crenshaw e Pell perceberam que poderiam usar os estalos para evitar fraturas ósseas.
"Se você pegar um galho e começar a dobrá-lo, poderá ouvir algo estalando mesmo antes de perceber qualquer dano real ao galho em si", explicou Crenshaw. "Estamos fazendo algo parecido aqui".
Crenshaw e seus colegas programaram o computador de bordo do separador para interromper o avanço um quarto de segundo após sentir um desses estalos.
Isso permite que as fibras e ligamentos do osso se desloquem e estiquem antes que o equipamento volte a se mover.
Recentemente, Crenshaw e Pell colaboraram com colegas da N.C. State University para testar a invenção, num estudo financiado pelo Instituto Nacional de Saúde e pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA. Os veterinários abriram a caixa torácica de 10 porcos vivos - metade com o novo projeto, metade com o dispositivo convencional. O tempo para abrir os porcos foi praticamente o mesmo nos dois grupos. Porém, o separador tradicional fraturou costelas de quatro dos cinco porcos. O separador da Physcient quebrou apenas uma costela, no segundo porco aberto pelos cirurgiões, quando o dispositivo emperrou acidentalmente. Os inventores aprimoraram o projeto e nenhum dos porcos restantes sofreu fraturas.
Os pesquisadores também descobriram que, nos experimentos com o dispositivo da Physcient, os porcos apresentaram níveis mais altos de oxigenação no sangue do que com o separador tradicional " simplesmente porque podiam respirar mais profundamente. Os porcos também usaram menos analgésicos e se recuperaram mais facilmente.
"Atingimos todos os pontos pré-clínicos que estávamos buscando", explicou Crenshaw. Ele e seus colegas pretendem lançar seu separador de costelas no mercado no final de 2012.
Se tudo correr conforme o planejado, os inventores devem examinar outras ferramentas cirúrgicas que puxam e empurram os corpos de pacientes. "Temos anos e anos de produtos para reformular", disse Pell.
