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Biofísica do Sistema Respiratório

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BIOFÍSICA DO 
SISTEMA RESPIRATÓRIO 
Adriana Fontes / adriana.fontes.biofisica@gmail.com 
Departamento de Biofísica e Radiobiologia 
REVISÃO DOS CONCEITOS FÍSICOS BIOFÍSICA DO SISTEMA RESPIRATÓRIO 
FUNÇÃO DO SISTEMA RESPIRATÓRIO: 
OXIGENAR O SANGUE E REMOVER CO2 DO MESMO. 
TRANSFERÊNCIA DE CALOR PARA FORA E DENTRO DO CORPO. 
PRODUZIR SONS. 
COMPONENTES DO APARELHO RESPIRATÓRIO: 
VIAS AÉREAS: BOCA, CAVIDADES NASAIS E FARINGE (QUE ESTÃO CONECTADAS À TRAQUÉIA POR 
MEIO DA LARINGE). 
TRAQUÉIA SE BIFURCA NOS BRÔNQUIOS -> BRONQUÍOLOS -> ALVÉOLOS 
PULMÕES ENVOLVIDOS PELA PLEURA VISCERAL 
OCUPAM 4/5 DA CAVIDADE TORÁCICA. 
PAREDE TORÁCICA É UMA ESTRUTURA ELÁSTICA QUE 
EM COMBINAÇÃO COM OS MOVIMENTOS DO 
DIAFRAGMA PROMOVE VARIAÇÕES DE VOLUME DA 
CAVIDADE TORÁCICA (PELE, TECIDO, ARCOS COSTAIS, 
ESTERNO, CLAVÍCULA, COLUNA DORSAL, LIGAMENTOS, 
MÚSCULOS, PLEURA PARIETAL, VASOS E NERVOS). 
MÚSCULOS DA INSPIRAÇÃO (DIAFRAGMA, INTERCOSTAIS EXTERNOS E ACESSÓRIOS). 
MÚSCULOS DA EXPIRAÇÃO (ABDOMINAIS E INTERCOSTAIS INTERNOS). 
ÁRVORE 
BRONQUIAL 
NÚMERO DE 
BRAÇOS 
TRAQUÉIA 
BRÔNQUIO PRIMÁRIO 
BRÔNQUÍOLOS 
RESPIRATÓRIO 
500.000 
SACOS ALVEOLÁRES 
8 MILHÔES 
TERMINAIS DOS 
BRONQUÍOLOS 
60000 
ALVÉOLOS 
TERMINAL DO 
BRONQUÍOLO 
ZONA DE CONDUÇÃO 
ZONA DE RESPIRAÇÃO 
COMPONENTES DO APARELHO RESPIRATÓRIO: 
ZONA DE TRANSIÇÃO 
ZONA DE RESPIRAÇÃO 
GÁS -> FLUIDO 
Q = (P1 – P2) / R 
R = (8 η L) / (π r4) 
P = F /A 
ESCOAMENTO LAMINAR OU TURBULENTO 
ASSOCIAÇÃO DE RESISTÊNCIA 
FLUXO TURBULENTO E TRANSICIONAL É 
MAIS PROVÁVEL DE OCORRER NA 
TRAQUÉIA. FLUXO LAMINAR É MAIS 
PROVÁVEL EM PEQUENAS VIAS AÉREAS. 
GÁS -> FLUIDO 
2000
4000
 : laminar flow
Re 2000 - 4000 : transitional flow
: turbulent flow
<⎧
⎪
⎨
⎪>⎩
MECÂNICA RESPIRATÓRIA 
SÓ HÁ FLUXO QUANDO HÁ DIFERENÇA DE PRESSÃO -> O AR FLUI POIS HÁ DIFERENÇA DE 
PRESSÃO ENTRE OS PULMÕES E O MEIO EXTERNO. 
 
 O AR SEMPRE FLUI DO LOCAL DE MAIOR PARA O DE MENOR PRESSÃO. 
 O AR ENTRA NOS PULMÕES QUANDO A PRESSÃO É MENOR QUE A PRESSÃO ATMOSFÉRICA: 
PROCESSO DE INSPIRAÇÃO. 
O AR SAI DOS PULMÕES QUANDO A PRESSÃO É MAIOR QUE A PRESSÃO ATMOSFÉRICA: 
PROCESSO DE EXPIRAÇÃO. 
Q = (P1 – P2) / R 
P1 -> PRESSÃO NOS PULMÕES E P2 -> PRESSÃO 
ATMOSFÉRICA. 
 
AR ENTRA NOS PULMÕES QUANDO P1 É NEGATIVA 
(SUBATMOSFÉRICA) E SAI QUANDO P1 POSITIVA. 
O CORPO MUDA A PRESSÃO NOS PULMÕES AUMENTANDO E 
DIMINUINDO SEU VOLUME. 
 
 MAIOR O VOLUME -> MENOR A PRESSÃO. 
DURANTE A INSPIRAÇÃO O VOLUME DOS PULMÕES AUMENTA 
DEVIDO A CONTRAÇÃO DO DIAFRAGMA E EXPANSÃO DA 
CAIXA TORÁCICA. 
 
O VOLUME AUMENTA, A PRESSÃO CAI E O AR ENTRA NOS 
PULMÕES. 
DURANTE A EXPIRAÇÃO O DIFRAGMA RELAXA, A CAIXA 
TORÁCICA VOLTA AO TAMANHO ORIGINAL. 
 
O VOLUME DIMINUI, A PRESSÃO AUMENTA E O AR SAI DOS 
PULMÕES. 
MECÂNICA RESPIRATÓRIA 
EXERCÍCIO 
SE VOCÊ DESEJA BOMBEAR AR PARA DENTRO DO PULMÃO DE UM PACIENTE ATRAVÉS DE UM 
BALÃO QUE ESTÁ CONECTADO A UM VENTILADOR RESPIRATÓRIO, VOCÊ ESCOLHERIA UM 
BALÃO GRANDE OU PEQUENO PARA CONSEGUIR A MÁXIMA PRESSÃO? E PARA CONSEGUIR 
INSUFLAR O MÁXIMO VOLUME? 
COMPLACÊNCIA E ELASTÂNCIA 
QUANDO A ELASTÂNCIA (CONSTANTE DE MOLA) É GRANDE -> MAIS DIFÍCIL DEFORMAR 
(ALTA RESISTÊNCIA PARA DEFORMAR) -> MENOS ELÁSTICO -> MENOR A COMPLACÊNCIA. 
 
POR OUTRO LADO, QUANDO A ELASTÂNCIA É PEQUENA -> MAIS FÁCIL DEFORMAR -> 
MAIS ELÁSTICO -> MAIOR A COMPLACÊNCIA. 
PODEMOS USAR COMO SINÔNIMO DE COMPLACÊNCIA -> DISTENBILIDADE. 
 
A COMPLACÊNCIA DO PULMÃO DIMINUI CONFORME O VOLUME AUMENTA. 
. 
MECÂNICA RESPIRATÓRIA 
INTERAÇÕES ADESIVAS E COESIVAS 
INTERAÇÕES ADESIVAS E COESIVAS NOS FLUIDOS DENTRO E FORA DO PULMÃO TAMBÉM TEM PAPEL IMPORTANTE 
NA RESPIRAÇÃO. 
OS PULMÕES SÃO REVESTIDOS EXTERNAMENTE PELA PLEURA 
VISCERAL E A FACE INTERNA DA CAIXA TORACICA PELA PLEURA 
PARIETAL. EXISTE ENTRE ELAS O ESPAÇO INTRAPLEURAL, NO 
QUAL UM FLUIDO, O LÍQUIDO PLEURAL, EXERCE FORÇAS 
ADESIVAS. OS PULMÕES ESTÃO EM CONTATO COM A CAIXA 
TORÁCICA ATRAVÉS DESSE LIQUIDO. 
 
SÃO ESSAS FORÇAS QUE PERMITEM QUE OS PULMÕES 
ACOMPANHEM O MOVIMENTO DA CAIXA TORÁCICA E ASSIM 
MUDEM SEU VOLUME PARA CONTROLAR A PRESSÃO E, 
PORTANTO, A ENTRADA E SAÍDA DE AR. 
INTERAÇÕES ENTRE MOLÉCULAS PODEM SER ATRATIVAS OU REPULSIVAS. INTERAÇÕES ATRATIVAS ENTRE 
MOLÉCULAS DO MESMO TIPO SÃO CHAMADAS COESIVAS E ENTRE MOLÉCULAS DIFERENTES SÃO CHAMADAS 
ADESIVAS. 
MECÂNICA RESPIRATÓRIA 
INTERAÇÕES ADESIVAS E COESIVAS 
A PRESSÃO INTRATORÁCICA DEVE SER SUBATMOSFÉRICA (NEGATIVA) PARA MANTER OS 
PULMÕES EXPANDIDOS. 
A PRESSÃO ENTRE OS PULMÕES E A CAIXA TORÁCICA AUMENTA E DIMINUI MAS SEMPRE 
PERMANECE NEGATIVA -> ESSA PRESSÃO É CHAMADA PRESSÃO INTRATORÁCICA. 
MECÂNICA RESPIRATÓRIA 
TENSÃO SUPERFICIAL 
A. CANCELAMENTO SIMÉTRICO DAS 
FORÇA DE ATRAÇÃO INTRA-
MOLECULAR. 
B. NA SUPERFÍCIE, A SIMETRIA É 
DESTRUÍDA, ENTÃO NÃO HÁ O 
CANCELAMENTO (EQUILÍBRIO) DAS 
FORÇAS NA SUPERFÍCIE. EXISTE 
UMA FORÇA RESULTANTE PARA 
DENTRO. 
FORÇAS COESIVAS EM LÍQUIDOS ATUAM NO SENTIDO DE CONTRAIR O MESMO PARA FAZER 
SUA ÁREA A MENOR POSSÍVEL – FOMANDO GOTAS – A SUPERFÍCIE DESSE LÍQUIDO ESTÁ 
ENTÃO SOB UMA TENSÃO QUE É CHAMADA TENSÃO SUPERFICIAL. 
MECÂNICA RESPIRATÓRIA 
A TENSÃO SUPERFICIAL É UMA PROPRIEDADE QUE SÓ EXISTE ENTRE DUAS FASES, POR 
EXEMPLO AR E ÁGUA. 
A TENSÃO SUPERFICIAL QUE ATUA NO LIQUIDO QUE FORMA UMA SUPERFÍCIE ESFÉRICA É: 
T = P r / 2 
QUANTO MENOR O RAIO, MAIOR É A PRESSÃO. 
O QUE ACONTECE COM DUAS BOLHAS DE LÍQUIDO (BOLHAS DE SABÃO) QUE ESTÃO NO AR DE 
DIMENSÕES DIFERENTES INTERLIGADAS? 
ENCHER UM BALÃO* 
NOS PULMÕES NÓS TEMOS OS ALVÉOLOS QUE 
SÃO COMO AS BOLHAS DE SABÃO. HÁ AR NO SEU 
INTERIOR E TAMBÉM HÁ UM LIQUIDO AO SEU 
REDOR. 
MECÂNICA RESPIRATÓRIA 
EM VÍTIMAS DE ENFISEMA PULMONAR, MUITOS ALVÉOLOS DA PESSOA SE JUNTAM PARA FORMAR 
POUCOS E GRANDES ALVÉOLOS. COMO QUANTO MAIOR O RAIO, MENOR A PRESSÃO -> QUANDO UMA 
PESSOA COM ENFISEMA EXPIRA, SEU ALVÉOLO CRIA UMA MENOR PRESSÃO EM RELAÇÃO À 
ATMOSFÉRICA E A QUANTIDADE DE AR QUE SAI É MENOR QUE O NORMAL. 
A TENSÃO SUPERFICIAL PODE SER TÃO GRANDE QUE É DIFÍCIL FAZER O ALVÉOLO INFLAR. ESSE 
PROBLEMA CHAMADO DOENÇA DA MEMBRANA HIALINA OCORRE MAIS EM RECÉM-NASCIDOS. ESSES 
BEBÊS TEM FALTA DE SURFACTANTE E POR ISSO RESPIRAM COM GRANDE ESFORÇO. O SURFACTANTE 
NOS PULMÕES TEM O PAPEL DE CONTROLAR (REDUZIR) A TENSÃO SUPERFICIAL. ISSO TAMBÉM 
ACONTECE COM VÍTIMAS DE AFOGAMENTO, A ÁGUA AUMENTA A TENSÃO SUPERFICIAL NOS ALVÉOLOS. 
MECÂNICA RESPIRATÓRIA 
SURFACTANTE 
MECÂNICA RESPIRATÓRIA 
SURFACTANTE 
A. CANCELAMENTO SIMÉTRICO 
DAS FORÇA DE ATRAÇÃO INTRA-
MIOLECULAR 
B. NA SUPERFÍCIE, A SIMETRIA É 
DESTRUÍDA ENTÃO NÃO HÁ O 
CANCELAMENTO (EQUILÍBRIO) DAS 
FORÇAS NA SUPERFÍCIE. EXISTE 
UMA FORÇA RESULTANTE PARA 
DENTRO. 
C. MOLÉCULAS DE SURFACTANTE 
DISPERSÃO MOLÉCULAS DE ÁGUA 
E REDUZ A ATRAÇÃO INTRA-
MOLECULAR DAS MOLÉCULAS DA 
SUPERFÍCIE. 
MECÂNICA RESPIRATÓRIA 
SURFACTANTE 
O SURFACTANTE FAZ DOS ÁLVEOLOS COMO SE FOSSE UM BALÃO JÁ INFLADO. SE TORNA FÁCIL 
COLOCAR AR DENTRO DELES. 
SE NÃO FOSSE O SURFACTANTE OS ALVÉOLOS SE COMPORTARIAM COMO AS BOLHAS DE SABÃO E 
OS ALVÉOLOS MENORES ENTRARIAM EM COLAPSO. O SURFACTANTE ATUA CONFORME A ÁREA DO 
ALVÉOLO: 
 
QUANTO MENOR O ALVÉOLO -> MAIOR O PAPEL DO SURFACTANTE (MAIS CONCENTRADO) -> REDUZ 
BASTANTE A TENSÃO SUPERFICIAL -> REDUZ BASTANTE A PRESSÃO. 
 
QUANTO MAIOR O ALVÉOLO -> MENOR O PAPEL DO SURFACTANTE (MENOS CONCENTRADO) -> 
REDUZ MENOS A TENSÃO SUPERFICIAL -> REDUZ MENOS A PRESSÃO. 
 
ISSO FAZ QUE ALVÉOLOS