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Simulação mostra como limitar a propagação do coronavírus e auxilia na investigação de doenças respiratórias

Biomédica Tecnologia de Simulação

Na corrida para combater à pandemia global de COVID-19, a medicina tem utilizado a tecnologia de simulação para acelerar o desenvolvimento de pesquisas e auxiliar a produção de equipamentos hospitalares essenciais para tratamento da doença. A ferramenta tem dado suporte a profissionais de saúde, decisores políticos e comunidade global no enfrentamento da crise sanitária.  

Por meio dos softwares, tem sido possível modelar inaladores, escalar a produção de máscaras de proteção e até mesmo calcular medidas de convívio social que limitam a propagação do coronavírus.  

Simulação para calcular o distanciamento social 

Neste cenário de pandemia, é importante limitar a propagação do vírus e a principal medida adotada pelas nações é o isolamento social. O software Ansys é capaz de simular situações do cotidiano para oferecer com exatidão distâncias que uma pessoa deve tomar da outra durante uma conversa, em filas de supermercado ou na prática de exercício físico, por exemplo.   

Simulação para uso correto de máscaras de proteção  

As máscaras podem reduzir o risco de contaminar outras pessoas em até seis vezes. Outra funcionalidade do software é apontar os ajustes necessários para garantir que as máscaras sejam seladas adequadamente e possam reduzir o risco de possível exposição. 

Simulação para desinfecção de ambientes 

No ambiente altamente contagioso de hoje, é extremamente importante minimizar os riscos para médicos e profissionais de saúde que atendem pacientes positivos para COVID-19. As salas de pressão negativa (NPRs) podem ajudar a reduzir a exposição da equipe de saúde ao vírus enquanto atendem os pacientes. A simulação demonstra diferentes projetos de sala dos NPRs e permite que as equipes otimizem o design da sala, a colocação da entrada de ventilação e a capacidade do soprador para evitar que partículas orais e nasais se circulem no ambiente. 

Rocky auxilia modelagem de inaladores para tratamento de doenças respiratórias  

Antes mesmo do surgimento do SARS-CoV-2, as doenças respiratórias representavam uma das principais causas de mortalidade global – além de uma pesada carga financeira para os sistemas de saúde. Estudos experimentais neste campo estão repletos de dificuldades e gastos, o que torna a simulação uma ferramenta atraente, por apresentar resultados rápidos e precisos, tanto nos testes quanto na modelagem de equipamentos. 

A escola de engenharia da Universidade Oklahoma nos Estados Unidos está desenvolvendo, desde o ano passado, pesquisas com o uso dos softwares Ansys e Rocky para compreender sobre o transporte de partículas finas nas vias aéreas humanas e para modelar inaladores. O artigo de Jianan Zhao and Yu Feng, da Escola de Engenharia Química da Universidade de Oklahoma apresenta como o Rocky tem sido utilizado no estudo de transporte de partículas de fármacos nos inaladores de pó seco.  

Os dispositivos de administração de medicamentos pulmonares, como inaladores de pó seco (DPIs), têm sido amplamente utilizados para fornecer uma dose eficaz de ingredientes farmacêuticos ativos (APIs) no sistema respiratório alvo. A simulação multifísica do Rocky DEM fornece um valor significativo para otimizar o design de DPIs, bem como demonstrar a bioequivalência (BE) de produtos DPI genéricos, uma vez que o software tem a capacidade de descrever os mecanismos físicos e químicos subjacentes ao transporte e interações de medicamentos, de forma não invasiva. Comparado com testes in vitro, a simulação numérica é menos custosa e demorada, ao mesmo tempo em que fornece resultados precisos para reduzir a duração do ciclo de pesquisa e desenvolvimento das inovações nos produtos DPI. 

Durante a liberação e emissão dentro dos DPIs, as forças de interação partícula-partícula, ou seja, as forças de van der Waals e eletrostática, desempenham um papel vital no transporte de partículas de medicamentos e determinam a distribuição aerodinâmica do tamanho da entrada na boca humana. Essas forças têm um impacto significativo na avaliação da dose efetiva administrada aos locais pulmonares designados para tratamento de doenças pulmonares. Para esse fim, o Rocky DEM traz vários modelos de força adesiva, para que os engenheiros precisem apenas definir o parâmetro de energia da superfície para capturar o comportamento adesivo e/ou coesivo do material. 

Geometria do dispositivo inalador de pó seco

Figura 1

Detalhes sobre o teste de independência da malha e especificações finais da malha

Figura 2

A Figura 1 mostra a geometria do dispositivo inalador de pó seco e sua malha de poliedro com seis prismas de hexaedro próximos à parede. O teste de independência da malha foi realizado para determinar a malha final com o equilíbrio otimizado entre precisão e eficiência computacional. Detalhes sobre o teste de independência da malha e as especificações finais da malha são mostrados na Figura 2. 

Dentre os recursos oferecidos pela simulação para auxiliar o estudo estão: o método de acoplamento unidirecional – empregado para as interações entre partículas e o fluxo de ar; a definição de partículas com vários tamanhos e formas; a modelação de forças e torques transitórios que atuam nas partículas individuais; a exportação e análise das propriedades das partículas. 

A imagem abaixo mostra a distribuição da magnitude da velocidade do fluxo de ar no plano sagital no DPI e a comparação da dinâmica do transporte de partículas no tempo t = 0,001 s entre partículas esféricas e esfero-cilíndricas. A comparação entre dois casos mostrados na imagem indica que, comparadas às partículas cilíndricas esféricas, as partículas esféricas são melhores em seguir o transporte do fluxo de ar mais rapidamente do que as partículas alongadas com diferentes frequências de colisão partícula-partícula. Portanto, pode-se observar que os efeitos da forma das partículas podem influenciar significativamente as dispersões das partículas e determinar os APSDs emitidos. 

Distribuição da magnitude da velocidade do fluxo de ar no plano sagital no DPI

Figura 3

Simulação na produção de vacinas para combater a COVID-19 

Depois que uma vacina é identificada, um dos maiores desafios que a indústria de biofarma enfrenta é aumentar a produção da vacina da escala laboratorial para a industrial. Ao usar a simulação em um ambiente virtual, as empresas farmacêuticas podem aumentar suas chances de acertar o processo de expansão da primeira vez. 

Depois que os pesquisadores descobrem tratamentos que os fabricantes podem produzir, o próximo desafio é projetar sistemas de entrega. A simulação pode garantir que um sistema de entrega virtual, que envie medicação suficiente para um pulmão virtual, opere conforme o esperado quando fabricado e implantado em seres humanos. Uma vez criado o sistema de entrega, esses modelos podem ser usados para ajudar a treinar médicos e enfermeiros. 

 

Saiba mais nos insights de simulação disponibilizados pela Ansys



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Possui mais de 20 anos de atuação e reúne experiência e conhecimento em engenharia e ciência da computação, oferecendo ao mercado soluções completas em simulação computacional e desenvolvimento de software científico em engenharia. Destaca-se nas áreas de análise estrutural, fluidodinâmica, eletromagnética e simulação de partículas.


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