Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015O aumento da esperança média de vida ao longo das últimas décadas foi acompanhado por uma preocupação crescente com a saúde e estética da pele. Pele fotodanificada e envelhecida é caracterizada pelo aparecimento de características indesejáveis, tais como marcas de pigmentação, atrofia da juncão dérmica epidérmica, rugas, perda da radiância, claridade e uniformidade da pele. De forma a contrariar o efeito da exposição solar há uma necessidade crescente de desenvolvimento de métodos e dispositivos que visam o rejuvenescimento da pele. De acordo com o relatório apresentado pela Transparency Market Research sobre o mercado dos dispositivos de tratamento e cuidado de pele é esperado um crescimento de 10% destes dispositivos durante o período de 2012 a 2018. Rejuvenescimento da pele implica a substituição do tecido foto danificado ou envelhecido por um novo, mais saudável, radiante e uniforme. Desde químicos a fotónicos incluindo sistemas mecânicos, existe uma vasta gama de dispositivos que visam rejuvenescimento de pele. O grau de rejuvenescimento está relacionado com a agressividade do método utilizado. Técnicas suaves como a aplicação de loções e cremes carecem de eficácia, no entanto apresentam poucos efeitos secundários sendo seguras para os utilizadores. Já a maioria dos dispositivos comercialmente disponíveis, como peeling químico, abrasão da epiderme, e resurfacing a laser, atuam através da danificação ou remoção de toda a epiderme viável, expondo o corpo humano à acção de agentes químicos, físicos, patogénicos e à radiação ultra violeta (UV). Apesar de eficazes estes métodos apresentam efeitos adversos, nomeadamente o elevado risco de infecção para os pacientes e o longo tempo de recuperação. Por estes motivos é necessário desenvolver uma técnica não invasiva que rejuvenesça eficazmente a pele sem comprometer a saúde do paciente. Philips Research Eindhoven é uma das maiores organizações de investigação do mundo, localizada no High Tech Campus (HTC) em Eindhoven. O departamento Personal Care and Wellness combina o conhecimento sobre a biologia e morfologia da pele com as mais avançadas técnicas ópticas com o objectivo de inovar e desenvolver produtos com impacte no bem estar da população. O projeto, onde esta tese se insere, visa a geração de propriedade intelectual assim como desenvolver e apresentar a proof of concept sobre patentes anteriormente submetidas. Esta tese teve como principal objetivo desenvolver e construir um dispositivo que permitisse separar a derme da epiderme de forma não invasiva e que possa ser aplicado em pele humana ex-vivo e in-vivo. Para alcançar este objetivo, um sistema de sucção combinado com método de imagem não invasivo OCT (do acrónimo inglês Optical Cohenrence Tomography ) foi construído. Este sistema permitiu pela primeira vez a monitorização em tempo real do processo de separação da derme da epiderme. Devido à capacidade de visualizar em tempo real a separação da derme da epiderme, um modelo que descreve a evolução do processo de separação das duas camadas mais superficiais da pele assim como a acumulação de fluido intersticial foi formulado e descrito. Neste modelo três fases foram definidas e caracterizadas: Latência, Crescimento e Maturação. Foi também possível observar que a separação dérmica epidérmica ocorre segundo dois diferentes processos: 1) formação inicial de uma pequena fenda dérmica epidérmica que progressivamente aumenta de tamanho e 2) formação de várias pequenas separações ao longo de toda a junção dérmica epidérmica que aumentam de dimensão ao longo do tempo e se vão unificando. Para além de combinado com OCT, o sistema de sucção foi também acoplado a um sistema de aquecimento e a um sistema de Radiofrequência (RF). A dependência entre o tempo de separação da derme da epiderme e fatores como o diâmetro do prato de sucção aplicado, a pressão e a temperatura da pele foi estabelecida. Os parâmetros óptimos para a separação da derme e epiderme num curto período de tempo foram determinados: um diâmetro entre 1 mm e 1.5 mm, uma pressão de sucção de 600 mmHg e uma temperatura de 40ºC. Os resultados em pele ex-vivo foram corroborados por um estudo in-vivo. Após a optimização dos parâmetros foi possível reduzir o tempo de separação dérmica epidérmica para um sexto do tempo inicial. De forma a compreender os processos regenerativos que actuam após a separação dérmica epidérmica e a avaliar se uma nova e saudável epiderme é formada de forma não invasiva, a resposta regenerativa ao tratamento foi avaliada através de um estudo in-vivo. As imagens de OCT obtidas 1 dia e 4 dias após o tratamento revelaram a formação de uma nova e saudável epiderme de baixo da epiderme separada, que age como um escudo biológico protegendo o organismo contra agentes infecciosos. Neste estudo também foi verificado que o tempo de regeneração da epiderme depende da extensão de epiderme separada. Extensões menores requerem um mais curto período de regeneração. A capacidade da OCT permitir detetar e visualizar características da pele como poros e folículos capilares permitiu a aplicação do tratamento sobre estas. Os resultados obtidos indicam que o processo de separação dérmica epidérmica é facilitado na região folicular e dificultado em poros. Foi ainda testada a aplicação fracionada do tratamento de forma a reduzir o tempo de aplicação e desconforto para os utilizadores. Apesar de eficiente, OCT é um sistema de monitorização dispendioso e pouco portátil não podendo ser acoplado a um dispositivo comercial de rejuvenescimento de pele. Para colmatar esta necessidade foi testada a possibilidade de usar as propriedade condutivas da pele para detetar a separação da derme da epiderme. Usando um sistema de radiofrequência, a impedância da pele à corrente eléctrica foi monitorizada durante o processo de separação da derme da epiderme. Uma diminuição da impedância da pele ocorre durante a migração de fluido intersticial para a cavidade dérmica epidérmica. A principal aplicação visionada para esta técnica assim como os parâmetros determinados é o desenvolvimento de um dispositivo de rejuvenescimento da pele não invasivo. Devido a promover a separação da derme da epiderme em apenas alguns segundos a técnica apresentada nesta tese ganha especial relevância na área médica. Com foco de interesse para dermatologia onde a transplantação epidérmica é umas das técnicas mais utilizadas no tratamento de Vitiligo e também para análises clínicas onde extração do fluido intersticial é utilizado em inúmeros estudos. A redução do tempo de separação é crucial para a diminuição do tempo de tratamento e desconforto para os pacientes. O próximo passo será um estudo clínico, usando uma significante amostra população de diferentes idades e géneros, de forma a avaliar se o tratamento leva a um rejuvenescimento da pele a curto e longo espaço de tempo. O tratamento deverá ser aplicado no tecido facial e ser acompanhado por um estudo histológico ou de TEM (do acrónimo inglês Transmission Electron Microscopy) de forma a estudar o processo de regeneração. A aplicação fracionada do tratamento assim como o efeito de folículos capilares e poros no tempo de separação deverá ser estudada em detalhe. Em suma, nesta dissertação as principais fases de desenvolvimento de um dispositivo de rejuvenescimento de pele foram levadas a cabo. Desde do design e construção de um protótipo, à optimização do parâmetros terminando num teste clínico e análise dos resultados. O dispositivo construído e descrito nesta tese revelou ser uma técnica promissora, eficiente e segura para o rejuvenescimento de pele e para monitorização em tempo real da cinética da separação dérmica epidérmica.With the increase of life expectancy over the last decades there is an increasing concern about how to maintain the skin healthy. Skin rejuvenation implies the replacement of the damaged upper layers of the skin with new ones, improving fine lines, radiance and clarity of the skin. The current available techniques for skin rejuvenation including chemical peeling, dermabrasion and laser skin resurfacing, act by removing the upper layer of the skin, the epidermis, which protects the body against physical, chemical, pathogen and UV radiation injuries. The aim of this thesis was to develop and build a non-invasive device which induces dermal epidermal separation and implement this technique to ex-vivo and in-vivo human skin. For this purpose a suction system integrated with a non-invasive imaging method Optical Coherence Tomography (OCT) was built. This system allowed, for the first time, the real time monitoring of the kinetics of dermal epidermal separation process and to follow the regenerative process non-invasively. The suction device was also combined with a heating and radio-frequency system. A model for the dermal epidermal separation over the time was formulated and described in this thesis. The relation between the dermal epidermal separation time and the diameter of the suction aperture, the suction pressure and the temperature was established. The ex-vivo results were validated with in-vivo studies. Furthermore it was possible to assess to the feasibility of electric conductivity as dermal epidermal separation detection method. A marked decrease of the skin electric impedance was verified during the migration of interstitial fluid to the dermal epidermal cavity, indicating that electrical impedance can be used as detection method. The experimental setup and method here in described revealed to be a safe, efficient and promising technique for skin rejuvenation
