Estudo do processo de envelhecimento de unha humana e esmalte dentário humano

através de Técnica Fotoacústica

Daniele Toniolo Dias F. Rosa

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁCampus Ponta Grossa

Antiga estação de trem

187 anos

Catedral

PONTA GROSSA: 332.060 habitantes localizada no centro do Paraná e a 103 km da capital  Curitiba.

Rio São Jorge

Parque de Vila Velha

Camelo

“Buraco do Padre”

“Buraco do Padre” “Buraco do Padre”

Cachoeira da Mariquinha

1 – Introdução Os Métodos Fotoacústicos tem se tornado extremamente

útil, em todos os segmentos das ciências, apresentando vantagens sobre a espectroscopia ótica convencional.

O Método de Célula Fotoacústica Aberta permite obter a difusividade térmica () da amostra, um parâmetro térmico de grande interesse na ciência dos materiais biológicos e inorgânicos.

Determinar a difusividade térmica da unha e do esmalte dentário é importante para se compreender o processo de transferência de calor através dos tecidos ungueais e dentais.

O comportamento da difusividade térmica possibilita avaliar envelhecimento e propagação de substâncias no material.

2 – Objetivo Principal Aplicar a técnica de Célula Fotoacústica Aberta (OPC) em

unha humana e esmalte dentário com diferentes idades para sua caracterização térmica.

3 – Histórico

• O efeito fotoacústico foi verificado pela primeira vez em 1880, por Alexander Graham Bell.

• Parker, Rosencwaig e Gersho, na década de 70, propuseram um modelo padrão da célula fotoacústica.

Figura 1: Célula Fotoacústica.

4 – Perfil de Profundidade:• A análise de transmissão periódica de calor é feita pelo

comprimento de difusão térmica:

fii

2

22/1

Figura 2: Variação do comprimento de difusão térmico com a freqüência.

5 – Técnica de Célula Fotoacústica Aberta

s

2S

α

πlb

fbef

1 ~S

Figura 3: Detalhamento do microfone.

Para determinada categoria de espessura térmica Pressão f-1/2

E em que

e ls é a espessura da amostra

6 – Montagem ExperimentalOPC – Propriedades Térmicas

Figura 4: Experimento OPC

Figura 5: Preparo da amostra para medida

7 – Aplicações

• Sistema Biológico:

i – D T Dias, A Steimacher, M L Baesso, A N Medina and A C Bento: Thermal Characterization In Vitro of Human Nail: Photoacoustic Study of the Aging Process, Photochemistry and Photobiology, v. 83, p. 1144-1148 (2007).

Figura 6: Partes da unha.

ii – A P N de Carvalho, D T Dias, V C Bedeschi, O Nakamura, M Q Oliveira: In Vitro Photoacoustic Study of Aging Process in Human Tooth Enamel, XXXIII ENFMC em Águas de Lindóia (2010).

Figura 7: : Esmalte dentário normal.

i – Unha x Idade

Figura 8: Preparação.

8 unhas normais 16-53 anos discos d 5 mm ls 257 m

Amostr

a

(unha)

idade

(anos)

ls

(m)

*

(10-4 cm2.s-1)

1 16 285 11.3 0.8

2 20 135 10.0 0.9

3 22 180 11.6 0.9

4 23 212 10.0 0.4

5 30 290 13.0 0.1

6 35 307 16.3 0.1

7 45 300 18.1 0.1

8 53 344 18.9 0.92 3 4 5

1,01,0

1,9

2,72,7

5,1

7,47,4

13,7

b= -1,02093

ln (

S/

) (u

.a.)

f1/2

experimental ajuste

Figura 9: Sinal PA típico. fbef

1S

2

2

*b

ls

média(144)x 10-4 cm2/s

8 (90%)

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 808

12

16

20

Model: UnhaBifase dm +(d1-dm)/(1+10 ((x-i1)/t1)) + (ds-dm)/(1+10 ((i2-x)/t2)) Chi 2/DoF = 0.41177R 2 = 0.9729dm 9.48407 ±0d1 11.70827 ±0.96778ds 19.13418 ±0.41379i1 16.78299 ±0t1 2.71121 ±0i2 32.41101 ±0t2 11.30511 ±0

Origin Pharmacology curve BiphasicA0 + (A1 - A0) / (1 + 10 ((x - x1) * h1) + (A2 - A0) / (1 + 10 ((x2 - x) * h2)

(1

0-4 c

m2 .s

-1)

Idade (ano)

Figura 10: Difusividade térmica em função da idade.

20 25 30 35 40 45 50 551,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

Unhas Valor Médio

Cp (

J/g

K)

Idade (anos)

Valor Médio = 1.68 ± (0.04)

cp(médio)1,68 J/gK

Método de Relaxação Térmico (MTR)

Figura 11: Calor específico AN Medina e A Steimacher.

(10-4 cm2.s-1)

k=cp

(10-4 J.s-1.cm-1.K-

1)

e=k.-1/2

(10-4 J.s-1/2 .cm-2 .K-1)

11.3

0.824.1 0.8 7.2 0.9

10.0

0.921.3 0.9 6.7 0.9

11.6

0.924.8 0.9 7.3 0.9

10.0

0.421.3 0.5 6.7 0.7

13.0

0.127.7 0.2 7.7 0.4

16.3

0.134.8 0.2 8.6 0.4

18.1

0.138.6 0.2 9.1 0.4

18.9

0.940.3 0.9 9.3 0.9

Propriedades térmicasa) da unha humana onde (média) ~ (1.27 0.01) g.cm-3 e cp(médio) ~ (1.68 0.04) (J.g-1.K-1).

a) e cp foram medidos por métodos fototérmicos e k e e foram calculadas de , e cp,.

pck

2/1pcke

e 2 (20%)

k 20 (100%)

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 8020

24

28

32

36

405

6

7

8

9

10

ConductivityModel: UnhaBifase Chi 2/DoF = 1.72491R 2 = 0.97508dm 20.75787 ±1.11944d1 24.32 ±0ds 40.04933 ±0i1 18 ±0t1 2 ±0i2 31.53672 ±0t2 8.90161 ±2.26107

k(10

-4 J

.s-1.c

m-1.K

-1)

Idade (anos)

(a)

(b)

Data: EffusuvityModel: UnhaBifase Chi 2/DoF = 0.06377R 2 = 0.95813 dm 6.54478 ±0.28535d1 7.09796 ±0ds 9.45007 ±0i1 17.87399 ±3.43163t1 2.5 ±0i2 31.60031 ±1.79784t2 11 ±0

e(10

-4J.

s-1/2.c

m-2.K

-1)

Figura 12: Efusividade e condutividade térmica.

Propr

Extrapolação idade

inicial

Mínimo

Saturação Idades inflexão Inclinação de inflexão

Idade no

mínimo

d1 dm ds i1 i2 t1 t2 - 11.71 9.48 19.13 16.78 32.41 2.71 11.31 19.87e 7.09 6.54 9.45 17.87 31.60 2.50 11.00 20.59k 24.32 20.76 40.05 18.00 32.54 2.00 8.90 20.14d - - 1.27 - - - - -cp - - 1.68 - - - - -

Análises da evolução das propriedades térmicas com a idade para unhas humanas usando uma função farmacológica bifásica.

101

)(

101

)1()(

)22()11( tageitiage

dmdsdmddmagePh

f=20 Hz 20anos (9 1) x 10-4 cm2/s unha= 38 m

5 esmaltes dentários dentes normais 17-61 anos

discos d 10 mm ls 200 m

Figura 13: Esmalte dentário e estrutura do dente.

ii – Amostra – Esmalte Dentário

2 3 4

0,36788

1

b= -0,66102

ln(S

/)*

f (u

.a.)

f1/2

Figura 14: Gráfico linear típico do sinal PA x f1/2.

Idade(anos)

b(-)

ls

(µm)*média

(cm2/s)

17 0,745 296 0,00470

32 0,661 284 0,00549

48 0,661 260 0,00523

55 0,843 340 0,00454

61 0,688 238 0,00363

fbef

1S

2

2

*b

ls

média(473)x 10-4 cm2/s

f=20 Hz 48anos (52 3) x 10-4 cm2/s dente= 91 m

Figura 15: Difusividade térmica x idade.

10 20 30 40 50 6010

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Difusi

vidad

e te

rmic

a x

10-4(c

m2 /s

)

Idade

Idade(anos

)

b(-)

ls

(µm)*média

(cm2/s)

17 0,688

180 0,00237

19 0,735

184 0,00199

32 0,738

188 0,00209

47 0,691

217 0,00294

48 0,611

187 0,00316

55 0,741

220 0,00293

61 0,730

209 0,00261f=20 Hz 48anos 32 x 10-4 cm2/s dente= 71 m

ii.1 – Amostra Recente – Dentina

(média 26 ± 1)x10-4 cm2/s

Figura 16: Difusividade térmica x idade.

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

12

18

24

30

36

DIF

USIV

IDA

DE T

ER

MIC

A x

10

-4(c

m2/s

)

IDADE

8 – Conclusão

• Considerando a importância de estudos biológicos de partes humanas incluindo unha [1-3], esmalte e dentina [4-6].

• Através da Técnica de Célula Fotoacústica Aberta [7-8] o valor para a difusividade térmica de unha e esmalte dentário foi medida em função da idade.

• o estudo “in vitro” em unhas humanas mostrou um aumento e possível saturação da difusividade térmica com o aumento da idade. O valor médio encontrado foi de =(13,73,6)x10-4 cm2/s.

• O estudo “in vitro” em esmalte dentário mostrou uma possível diminuição da difusividade térmica com o aumento da idade.

• O valor médio foi de (47 3) x 10-4 cm2/s. Na literatura foi encontrado =42 x 10-4 cm2/s [6] usando experimento em termopar. Através de nossos resultados podemos sugerir que este dente deveria ter aproximadamente 57,9 anos.

9 – Perspectivas

• A partir dos resultados expostos pode-se avaliar a

penetração de substâncias químicas, de uso terapêutico e

diagnósticos, através dos tecidos avaliados.

• A técnica torna-se apta para avaliar outros tecidos

humanos em função da idade, por exemplo pele.

Os pesquisadores envolvidos agradecem a FAPESB, CNPq CAPES e FAPEX.

1. Giese K., Nicolas A., Sennhenn B. and Kolmel K., Can. J. Phys. 64 (1986) 1537.

2. Bowman H. F., Cravalho E. G. and Woods M., Ann. Ver. Of Biophys. & Bioeng. 4 (1975) 43.

3. Sowa M. G., Wang J., Schultz C. P., Ahmed M. K. and Mantsch H. H., Vibrational Spectroscopy 10 (1995) 49.

4. Panas J. A., Preiskorn M., Dabrowski M. and Zmuda S., Infrared Phys. Tech.

49 (2007) 302.

5. Panas A. J., Zmuda S., Terpilowski J. and Preiskorn M., Inter. J. Thermophys.

24 (2003) 837.

6. Braden M, J. Dent. Res. 43 (1964) 315.

7. Perondi L. F. and Miranda L. C. M., J. Appl. Phys. 62 (1987) 2955.

8. Dias D. T., Steimacher A., Bento A. C., Medina A. N. and Baesso M. L.,

Photochem. Photobiol. 83 (2007) 1144.

10 – Bibliografia

Obrigada!!!!!