A Potência Pulsada (Pulsed Power ou PP) é amplamente utilizada na indústria e está a crescer exponencialmente na área da Engenharia Biomédica, devido às singularidades da alta tensão.
Em sistemas biológicos, a eletroporação baseada em Campos Elétricos Pulsados (Pulsed Electric Fields ou PEF) é uma forma eficaz de aplicar energia, permitindo pulsos controlados com parâmetros elétricos específicos.
Como funcionam os Campos Elétricos Pulsados?
Os Campos Elétricos Pulsados (PEF) são produzidos através da aplicação de curtos impulsos (microsegundos ou nanosegundos) de alta tensão (KV/cm), gerados por um circuito electrónico de Potência Pulsada (PP) baseado no gerador de Marx.
O gerador de Marx foi proposto por Erwin Marx em 1923 e atua como uma circuito paralelo de tensão transitória, ou seja, armazena energia durante um longo período de tempo em condensadores paralelos, e liberta energia durante um curto período de tempo, colocando os condensadores em série (ver figura 1).
Figura 1. Gerador de Marx com vários níveis.
Este método de manipular a energia permite a aplicação de picos energéticos consideráveis mas controlados, regulando a frequência e o tempo dos impulsos, com um consumo de energia relativamente pequeno, diminuindo assim o risco de aquecimento quando aplicado a matéria orgânica ou a células. São por isso uma vantagem em Engenharia Biomédica podendo utilizar-se campos elétricos mais intensos com cargas térmicas reduzidas.
Os PEF em células animais promovem diversos processos biológicos baseados em agonistas não ligantes, que contornam os receptores na membrana celular (ou citoplasmática) enquanto induzem diversas vias de sinalização intracelular. O efeito biológico final dependerá da quantidade de células-alvo e das condições do campo elétrico e pode ser tão distinto quanto o aumento da capacidade de proliferação celular (eletroporação reversível), ou ao contrário, a morte celular (eletroporação irreversível).
O que é a eletroporação?
Eletroporação é o nome dado ao fenómeno onde ocorre uma permeabilização da membrana celular (uma bicamada fosfolipídica).
A exposição da bicamada fosfolipídica a um campo elétrico externo e intenso, provoca um aumento da sua permeabilidade, isto é, a formação de poros na membrana celular, de modo a distribuir as cargas elétricas das células nos dois lados da camada fosfolipídica. Para isto acontecer, aplicam-se impulsos curtos de alta tensão (KV) a um meio biológico localizado entre dois (ou mais) eletrodos. A formação dos porors na membrana celular ocorre através da aplicação de campos eletricos que fazem com que as moléculas de água penetrem na bicamada fosfolipidica, formando o chamado “water wire” (fio de água), induzindo uma reorganização dos fosfolípidos e um alteração na orientação da cabeça hidrofílica em direção às moléculas de água, formando assim canais ou poros estáveis para a passagem de iões (Ver figura 2).
(a) 
(b)
Figura 2. (a) Estrutura da membrana celular e estrutura fosolípidica e (b) comportamento dos fosfolípidos durante o processo de eletroporação.
Dependendo das condições do tratamento, a eletroporação pode ser, então, reversível ou irreversível. O aumento transitório ou permanente da permeabilidade da membrana celular por aplicação de um campo elétrico externo tem inúmeras aplicações em diferentes disciplinas, como medicina, biotecnologia ou processamento alimentar. Hoje em dia, a eletroporação é utilizada para melhorar a qualidade do vinho e do azeite, para aumentar o prazo de validade dos sumos, mas também é utilizada no tratamento oncológico ou em terapia génica.
Referências
- Redondo LM, Silva JF. Repetitive high-voltage solid state Marx modulator design for various load conditions. IEEE Trans Plasma Sci, 37(8):1632-1637, 2009.
- Redondo LM, Silva JF, Margato E. Analysis of a modular generator for high-voltage, high-frequency pulsed applications, using low voltage semiconductors (1kV) and series connected step-up (1:10) transformers. Rev Sci Instrum, 78(3):034702, 2007.
- Redondo LM. Basic Concepts of High-Voltage Pulse Generation. Springer International Publishing AG, 1-19, 2017.
- Kotnik T, Kramar P, Pucihar G, Miklavčič D, Tarek M. Cell membrane electroporation – Part 1: The phenomenon. IEEE Electr Insul Mag, 255:14-23, 2012.