Design de origami para a área médica: metodologias projetuais de dobraduras para instrumentos clínicos e cirúrgicos

Abstract

O origami é uma técnica artística ancestral que transforma o papel em diferentes formatos simples ou complexos por meio de dobras. Hoje essa forma de arte evoluiu em grande escala e está sendo incorporada em diversas tecnologias de produtos, na arquitetura, moda, engenharia espacial e na ciência de materiais. Na área médica o origami está ganhando especial atenção dos pesquisadores, pois seus métodos de design têm alcançado as mais inúmeras soluções inovadoras em formas e estruturas com multifuncionalidades. Considerando que designers partem do pressuposto de buscar soluções para problemas do cotidiano, e tendo como pano de fundo incontáveis possibilidades de ações afirmativas em uma área tão cara à sociedade como a da saúde, a presente pesquisa aborda sobre o design de origami aplicado em produtos médicos e como é possível projetar melhorias de instrumentos clínicos e cirúrgicos utilizando métodos baseados nas dobraduras de papel. Questionários e entrevistas foram realizados para profissionais da medicina e pacientes elencarem produtos que apresentam problemas de uso. Dois instrumentos mais mencionados foram escolhidos como objetos de foco investigativo: o espéculo vaginal e a bolsa de morcelamento laparoscópica, cujas especificações foram levantadas com visitas técnicas em fabricantes responsáveis. As hipóteses da pesquisa são de que as melhorias dos instrumentos nos aspectos de formas, fabricação e sustentabilidade são alcançadas por meio do design de origami. A pesquisa tem por objetivo principal gerar conhecimento em design de origami aplicado à medicina, e por objetivos específicos elaborar metodologias projetuais e novos designs adaptados de origamis para instrumentos médicos, juntamente com avaliação e discussão dos resultados. O material e métodos abrangem a engenharia reversa da orimimética, estudos de forma e função em papel, construção e adaptação de padrões de vincos de origamis tesselações, testes de força por dinamômetro, desenho de mecanismos compatíveis e prototipagem rápida com máquina de corte a laser e impressão 3D tipo FDM com filamento em PLA. Os resultados da pesquisa são da ordem de três constatações: o ensaio de força dos origami tesselações demonstrou ser um método eficaz de comparação e de escolha de designs mais eficientes para aplicação em produtos médicos, além da descoberta de comportamento de deformação não-linear dos origamis, uma vantagem de redução de impacto que pode ser aplicada em produtos como amortecedores; o novo design proposto para a bolsa de morcelamento apresentou um aproveitamento de 20% a mais da matéria-prima e uma diminuição espacial de 97,5% quando está dobrada, além da diminuição de custo de produção pela substituição do nitinol por um fecho de plástico denso; o novo design proposto para o espéculo vaginal apresentou melhorias econômicas fabris devido à substituição da injeção de plástico pela impressão 3D e a substituição das três peças integrantes por uma única peça, além da facilitação de escalabilidade para diferentes corpos e melhorias sustentáveis pelo uso do polímero PLA. Estudos futuros foram indicados para testagem de outras técnicas e alternativas em formas do espéculo vaginal, uso de tratamentos em materiais e de polímeros biocompatíveis e testagem ergonômica dos novos designs propostos com avaliação de conforto às pacientes e usabilidade aos profissionais de saúde.

Origami is an ancient artistic technique that modifies paper into different simple or complex shapes by folding it. Today this art form has evolved on a massive scale and is being incorporated into countless product technologies, architecture, fashion, space engineering, and materials science. In the medical area, origami is gaining special attention from researchers, as its design methods have reached the most innumerable innovative solutions in shapes and structures with multi-functionality. Considering that designers start from the search for resolutions to everyday problems, and against the backdrop of countless possibilities for affirmative action in an area as dear to society as health, this research addresses origami design applied to medical products and how it is possible to design improvements of clinical and surgical instruments using methods based on paper folding. There was an application of questionnaires and interviews for medical professionals and patients to list products with functional problems. From the answers, there is a research focus on the two most mentioned instruments: the vaginal speculum and the laparoscopic morcellation bag, with a survey of specifications through technical visits to factories of these instruments. The research hypotheses are that origami design enables improvements in forms, manufacturing, and sustainability of medical tools. The main objective of the research is to generate knowledge in origami design applied to medicine, and for specific objectives to elaborate project methodologies and new products adapted from origami to medical instruments, together with evaluation and discussion of the results. The material and methods cover the reverse engineering of orimimetic, studies of form and function on paper, adaptive design of tessellation origami crease patterns, dynamometer strength tests, design of compatible mechanisms, and rapid prototyping with laser cutting machine and FDM-type 3D printing with PLA filament. The research results are of the order of three findings: the test of the strength of origami tessellations proved to be an effective method of comparison and choice of more efficient designs for application in medical products, in addition to the discovery of non-linear deformation behavior of origami, an impact reduction advantage relevant for application in products such as shock absorbers; the new product design for the morcellation bag showed 20% more use of the raw material and a 97.5% spatial reduction when it is folded, in addition to reducing production costs by replacing nitinol with a plastic closure dense; the new product design for the vaginal speculum presented manufacturing economic improvements due to the replacement of plastic injection by 3D printing and the replacement of the three integral parts by a single piece, in addition to facilitating scalability for different bodies and sustainable improvements by the use of PLA polymer. We indicate future studies for testing other techniques and alternatives in the shape of the vaginal speculum, use of treatments in materials and biocompatible polymers, and ergonomic testing of the proposed new designs with an evaluation of comfort for patients and usability for health professionals.