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Título: Modelagem matemática na termorregulação de plataforma Organ-on-a-Chip personalizada para testes de equipamentos médicos
Autor(es): Ibiapina, Karoany Maria Martins
Gonçalves, Christian França
Orientador(es): Rosa, Suélia de Siqueira Rodrigues Fleury
Coorientador(es): Silva, Ana Karoline Almeida da
Assunto: Sistemas Microfisiológicos
Simulação (Computadores)
Engenharia biomédica
Data de apresentação: 30-Nov-2023
Data de publicação: 10-Jun-2024
Referência: IBIAPINA, Karoany Maria Martins; GONÇALVES, Christian França. Modelagem matemática na termorregulação de plataforma Organ-on-a-Chip personalizada para testes de equipamentos médicos. 2023. 24 f., il. Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado em Engenharia Eletrônica) — Universidade de Brasília, Brasília, 2023.
Resumo: O Organ-on-a-chip (OoC) é um dispositivo microfluídico desenvolvido para simular as condições fisiológicas de órgãos e tecidos humanos. Dada a sua natureza biomimética, a temperatura se destaca como um fator crítico na regulação dos processos biológicos. Mo nitorar e controlar esse parâmetro é essencial não apenas para obter precisão nas análises realizadas, mas também para garantir a viabilidade celular dentro desses dispositivos. A modelagem matemática e os ensaios in silico desempenham um papel crucial ao prever o comportamento fisiológico, permitindo a simulação de interações complexas. O objetivo deste artigo é empregar a identificação de sistemas na modelagem matemática da regulação térmica em uma nova plataforma OoC. O foco central reside na busca e validação da equação mais precisa que represente o modelo térmico. Para alcançar esse objetivo, foi construída uma caixa simulando um ambiente controlado. Esta estrutura foi utilizada como cenário de testes para o OoC, permitindo a coleta de dados e a validação experimental do modelo proposto. Utilizamos dois sensores diferentes para análise in situ da variável de interesse, um infravermelho e um NTC. Coletamos dados de temperatura na câmara de cultivo celular do chip, realizando o tratamento do mesmo e analisando através da simulação no software MATLAB®. Por identificação de sistemas, realizamos a caracterização e selecionamos a função de transferência. Após a analise dos dados tratados, observamos a diferença de até 4,769°C entre a tempera tura ambiente e a temperatura na câmara de cultivo pelo sensor infravermelho, enquanto o termistor NTC obteve uma diferença de até 8,22°C. Os dados coletados geraram amostras de temperatura até a estabilização dos sensores. Ao modelar nosso sistema e caracterizá-lo, obtivemos uma equação descritiva precisa para a temperatura no OoC. É importante destacar que essa equação pode ser refinada e implementada em outros modelos 3D, ampliando seu potencial de aplicação. Este estudo não apenas destaca a análise da temperatura in situ em tempo real, mas também ressalta a inovação ao utilizar o OoC como recurso viável em testes, análises e no desenvolvimento de equipamentos médicos. A aplicabilidade demonstrada por essa nova plataforma oferece insights valiosos sobre como integrar o OoC de maneira inovadora em diversas áreas da medicina e engenharia biomédica.
Abstract: The Organ-on-a-Chip (OoC) is a microfluidic device developed to simulate the physiolog ical conditions of human organs and tissues. Given its biomimetic nature, temperature stands out as a critical factor in the regulation of biological processes. Monitoring and con trolling this parameter are essential not only for precision in the analyses performed but also to ensure cellular viability within these devices. Mathematical modeling and in silico assays play a crucial role in predicting physiological behavior, allowing the simulation of complex interactions. The aim of this article is to employ system identification in the mathematical modeling of thermal regulation on a new OoC platform. The central focus lies in the search and validation of the most accurate equation representing the thermal model. To achieve this goal, a box simulating a controlled environment was constructed. This structure was used as a testing scenario for the OoC, enabling data collection and experimental validation of the proposed model. Two different sensors were used for in situ analysis of the variable of interest, an infrared sensor and an NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistor. Temperature data were collected in the cell culture chamber of the chip, processed, and analyzed through simulation in MATLAB® software. Through system identification, we characterized and selected the transfer function. After analyzing the processed data, we observed a difference of up to 4.769°C between ambient temperature and temperature in the cell culture chamber using the infrared sensor, while the NTC thermistor showed a difference of up to 8.22°C. The collected data provided tem perature samples until sensor stabilization. By modeling and characterizing our system, we obtained a precise descriptive equation for temperature in the OoC. It is important to note that this equation can be refined and implemented in other 3D models, expanding its potential applications. This study not only emphasizes real-time, in situ temperature analysis but also highlights innovation in using the OoC as a viable resource in tests, analyses, and the development of medical equipment. The demonstrated applicability of this new platform offers valuable insights into integrating the OoC innovatively in various areas of medicine and biomedical engineering.
Informações adicionais: Trabalho de conclusão de curso (graduação) — Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, 2023.
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