john de deslocação Coulter

Transcrição

J . M A R T I N S E S I LVA
Professor catedrático, director do Instituto de Bioquímica, Faculdade de Medicina de Lisboa
Professor, director of the Institute of Biochemistry, Lisbon Faculty of Medicine
Viscosímetro Haake
de bola
1942
Karlsruhe, Alemanha:
Haake Messtechnik
(fabricante)
Metal e vidro
295 x 205 x 150 mm
Colecção do Instituto de
Bioquímica, Faculdade de
Medicina de Lisboa
Haake Ball Viscosimeter
1942
Karlsruhe, Germany:
Haake Messtechnik
(manufacturer)
Metal and glass
295 x 205 x 150 mm
Collection of the Institute
of Biochemistry,
Lisbon Faculty of
Medicine
ANTECEDENTES
ANTECEDENTS
As características viscosas, assim como
a cor vermelha, terão sido dos aspectos
mais notórios do sangue desde que o homem existe.
Remontam à civilização suméria (cerca de
4.000 a.C) as primeiras referências ao
sangue como a essência das actividades
vitais, acreditando-se que a sua formação
ocorria no fígado. Entretanto decorreram
muitos milénios antes que aquelas características fossem compreendidas numa
dimensão racionalmente satisfatória para
cada época.
Deve-se a William Wells, em 1797, a primeira indicação sobre a origem da cor do
sangue, ao atribuí-la a uma substância orgânica que designou por hematina (do grego,
haima, sangue). Esta substância foi o primeiro detector da presença do sangue a ser
utilizado, em 1853, em medicina forense.
No seguimento da identificação do ferro
como constituinte do sangue, por Vincenzo
Menghini (em 1746), foi demonstrada em
1851, por Otto Funke, a presença no sangue
duma molécula orgânica complexa que o
fisiologista químico alemão Felix Immanuel
Hoppe-Seyler (em 1864) obteve na forma
cristalina e denominou, posteriormente, por
hemoglobina (do grego haima, sangue + do
latim globus, bola). Na sequência dos estudos de Hoppe Seyler sobre as metalo-
Its viscous characteristics and its red
colour have been the most striking aspects
of blood ever since man has existed.
The first references to blood as the essence
of vital activities date back to the Sumerian
civilisation (about 4,000 B.C), when it was
believed that its formation took place in the
liver. In the meantime many millennia went
by before these characteristics were understood in a dimension that was rationally
satisfactory for each period in time.
In 1797 William Wells provided the first
indication of the origin of the colour of
blood when he attributed it to an organic
substance he called haematin (from the
Greek, haima, blood). This substance was
the first detector of the presence of blood
used in 1853 in forensic medicine.
After the identification of iron as an
element of blood, by Vincenzo Menghini (in
1746), Otto Funke, in 1851, demonstrated
the presence in blood of an organic molecule that the German chemical physiologist
Felix Immanuel Hoppe-Seyler (in 1864)
obtained in a crystal form and then later
called haemoglobin (from the Greek haima,
blood + and from the Latin globus, ball).
After Hoppe-Seyler’s studies on metaloproteins and haemoglobin, the structure of
the porphyrins was clarified by Hans
Fischer (between 1910 and 1940).
VISCOSÍMETRO HAAKE DE BOLA. Descrição na
página seguinte.
HAAKE BALL VISCOSIMETER. Description on the next
page.
179
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Viscosidade Sanguínea – Antecedentes, Características e Importância
Blood Viscosity – Antecedents, Characteristics and Importance
proteínas e a hemoglobina, a estrutura das
porfirinas veio a ser esclarecida por Hans
Fischer (entre 1910 e 1940).
Em 1928, Hoppe-Seyler e o fisiologista
inglês Joseph Barcroft (1928) revelaram
que as moléculas de hemoglobina contidas
em cada eritrócito eram as principais
responsáveis pelo transporte de oxigénio
aos tecidos e do dióxido de carbono a eliminar pelos pulmões. Barcroft esclareceu,
posteriormente, as alterações das moléculas de hemoglobina durante a respiração
(que denominou “função respiratória do
sangue”), tendo também desenvolvido um
equipamento que permitia a análise dos
gases no sangue. Em 1936, B.R. Burmeister
demonstrou que a hemoglobina era sintetizada na medula óssea a partir das porfirinas e seus precursores, sendo a participação do ferro esclarecida por Martin
Kamen em 1948.
Na continuidade dos estudos anteriores
foi adquirindo receptividade a explicação
de que a cor vermelha do sangue resultaria
da constituição e da conformação tetramérica própria de cada molécula de hemoglobina. Ao combinar-se com o oxigénio,
aquela estrutura metaloproteica adquiria
uma coloração vermelha mais clara, escurecendo quando no estado desoxigenado.
Sequencialmente, foi estabelecido que a
organização química e a da respectiva ressonância electrónica, que resulta de numerosas ligações duplas do anel de protoporfirina (em cada um dos quatro grupos heme
de cada molécula de hemoglobina), está na
origem daquela coloração e, também, da
capacidade de fluorescência das porfirinas
(do grego, porfiria, vermelho-escuro) numa
estreita banda do espectro de luz visível.
Com base naquelas características não
houve dúvidas em confirmar que a hemo-
In 1928, Hoppe-Seyler and the English
physiologist Joseph Barcroft (1928)
revealed that the haemoglobin molecules
contained in each erythrocyte were mainly
responsible for the carrying of oxygen to
the tissues and the carbon dioxide to be
eliminated by the lungs. Barcroft later
explained the alterations in the haemoglobin molecules during breathing (which
he called “respiratory function of blood”),
having also designed a device that allowed
analysis of the gases in blood. In 1936, B.R.
Burmeister demonstrated that the haemoglobin was synthesised in the bone marrow
from the porphyrins and their precursors,
with the role of iron being explained by
Martin Kamen in 1948.
Following on from previous studies, the
explanation that the red colour of blood
was a result of the constitution of and the
tetrameric conformation proper to each
haemoglobin molecule was gaining acceptance. On combining with oxygen, the metaloproteic structure would acquire a lighter
red colour, and would darken when in its
deoxygenated state. Thus it was established
that the chemical organisation and that of
the respective electronic resonance resulting from numerous double links of the
protoporphyrin ring (in each of the four
haeme groups of each haemoglobin molecule) is at the origin of this colouring and
also of the fluorescent capacity of the
porphyrins (from the Greek, porfiria, dark
red) in a narrow band of the spectrum of
visible light.
Based on these characteristics there were
no doubts about confirming that the
haemoglobin (and its constituents and derivates) possessed characteristics inherent to
pigments, which justified the colouring of
the blood as dependence on the number of
Viscosímetro Haake de bola
pormenor
detail
acessórios
acessories
pormenor
detail
VISCOSÍMETRO HAAKE DE BOLA. Instrumento para medição da viscosidade dos líquidos newtonianos ou nãonewtonianos transparentes. O sistema, desenvolvido por Höppler, baseia-se no princípio de que a velocidade de
um corpo esférico numa coluna líquida diverge na proporção do valor do coeficiente de fricção ou viscosidade. Esta
peça, também conhecida por viscosímetro de Höppler, é composta por um tubo de vidro com duas marcas (A e B)
espaçadas de 10 mm entre si na coluna, as quais definem a distância de medição. Uma bola (em vidro, liga de
níquel e ferro ou aço), com diâmetro compatível com o calibre do tubo de vidro é instalada no topo do seu conteúdo
líquido. O tubo é envolvido por um cilindro de vidro cheio com água em circulação, sob temperatura controlada.
Todo o conjunto se encontra disposto em posição ligeiramente inclinada (10% na vertical), podendo ser girado 180º
em torno de um eixo perpendicular a ambos os tubos para possibilitar a repetição das determinações e o retorno
da bola à posição inicial. A técnica consiste, grosso modo, em cronometrar o tempo (de queda) que a esfera (com
densidade e diâmetro variáveis com a respectiva constituição estrutural) leva a percorrer o espaço entre aquelas
duas marcas (A e B) existentes nas extremidades do tubo de vidro. Quanto maior for a viscosidade maior será o
tempo que a bola levará a percorrer aquele espaço. O tipo de esfera a utilizar é escolhido em função do valor
presuntivo da viscosidade do líquido em observação. No caso do sangue são utilizadas esferas de vidro. Os
resultados da viscosidade dos líquidos newtonianos são expressos em unidades absolutas padrão internacionais
miliPascal.segundo (mPa.s). os resultados da viscosidade dos líquidos não-newtonianos não podem ser expressos
por este equipamento em unidades mPa.s, requerendo viscosímetros rotativos. J. MARTINS E SILVA
globina (e os seus constituintes e derivados)
possui características inerentes aos pigmentos, o que justificava a coloração do
sangue na dependência do número de moléculas de oxigénio transportadas e do estado
de oxidação-redução daí resultante.
Por seu lado, o aspecto viscoso do sangue,
que fluia dos corpos de animais feridos nas
caçadas ou dos corpos destroçados em
guerras fraticidas, não terá passado despercebido aos nossos antepassados remotos,
quer por ser muito diferente da liquescência
da água e, também, por se assemelhar mais
ao escoamento lento dos óleos.
É referida ao grego Empédocles de Agrigentum (500-430 a.C.) a constatação de
que, a manter-se ininterrupto, o fluxo de
sangue das feridas mais graves conduzia
inevitavelmente à morte do seu portador. O
conceito do “calor inato do sangue”, que
defendeu como sendo um sinal da
existência da alma e dos processos vitais,
ter-se-á baseado naquela observação. O
coração, seria o centro de todo o sistema
vascular, a partir do qual seria “transportada a vida” (equivalente ao sangue) e o
referido “calor inato”. Na mesma linha de
raciocínio, Hipócrates preferia comparar o
sangue a um “espírito vital” a ser veiculado
a todas as partes do organismo através de
um vaso único ramificado. Com Aristóteles
(384-324 a.C) o sangue presente no coração
(considerado a sede da alma e do tal “calor
inato”) seria essencial à vida.
Todavia, foi necessário decorrerem cerca
de dezanove séculos para que William
Harvey (1578-1657) pusesse em ordem e
clarificasse a organização da rede circulatória em pequena e grande circulação,
dando corpo e substância ao primitivo
conceito de “circulação” atribuído a Hipócrates. Entretanto, tinham ficado pelo
oxygen molecules transported and the
resulting state of oxidation-reduction.
In its turn, the viscous aspect of blood,
which flowed from animals wounded in
hunts or from corpses slaughtered in
fratricidal wars, did not go unnoticed by
our remote ancestors, both because it was
very different to the liquid nature of water
and also because it was more similar to the
slow movement of oil.
The Greek philosopher Empedocles of
Agrigentum (500-430 B.C) is quoted as
having stated that when uninterrupted the
flow of blood from the most serious wounds
would inevitably lead to the death of the
wounded person. The concept of the “innate
heat of blood”, which he defended as a sign
of the existence of the soul and of the vital
processes, was probably based on this observation. The heart would be the centre of
the whole vascular system from which “life
would be transported” (being equivalent to
blood) as well as the above-mentioned
“innate heat”. In the same line of thinking,
Hippocrates preferred to compare blood to
a “vital spirit” carried to all of the parts of
the organism through a ramified single
vessel. With Aristotle (384-324 B.C) the
blood contained in the heart (considered to
be the home of the soul and of the “innate
heat”) would be essential to life.
However, about nineteen centuries were
needed for William Harvey (1578-1657) to
be able to order and clarify the organisation of the circulation system into small and
large circulation, granting body and substance to the primitive concept of “circulation” attributed to Hippocrates. In the
meantime there was the leaving behind of
fundamental paths that had been cleared
(in 1270) by Ibn al-Nafis (who, although he
remained almost forgotten, was probably
HAAKE BALL VISCOSIMETER. Instrument for measuring the viscosity of transparent Newtonian or nonNewtonian liquids. The system, developed by Höppler, is based on the principle that the velocity of a spherical
body in a liquid column diverges in proportion to the value of the coefficient of friction or viscosity. This piece,
also known as Höppler’s viscosimeter, is made up of a glass tube with two marks (A and B) set out at 10 mm
spaces apart on the column, setting out the measuring distance. A ball (made of glass, nickel and iron or steel
alloy), with a diameter compatible with the calibre of the glass tube is installed at the top of its liquid content.
The tube is contained within a glass cylinder full of circulating water at a controlled temperature. The whole set
is laid out in a slightly inclined position (10% on the vertical), and may be turned 180º around an axis
perpendicular to both the tubes in order to make it possible to repeat the determinations and the returning of
the ball to its initial position. The technique largely consists of measuring the time (of fall) that the sphere (with
density and diameter variable with the respective structural constitution) takes to travel the space between those
two marks (A and B) at the ends of the glass tube. The greater the viscosity the greater the time it will take for
the ball to travel through that space. The type of sphere to be used is chosen according to the presumed viscosity
of the liquid being observed. Glass spheres are used in the case of blood. The results of the viscosity of the
Newtonian liquids are expressed in the absolute international standard units milliPascal.second (mPa.s). The
results of the viscosity of the non-Newtonian liquids cannot be expressed by this equipment in mPa.s units, so
rotative viscosimeters are used. J. MARTINS E SILVA
181
182
caminho etapas fundamentais, desbravadas
(em 1270) por Ibn al-Nafis (que, apesar de
permanecer quase esquecido, terá sido o
descobridor da pequena circulação) e
depois, sucessivamente, por Miguel Servet
(1511-1553), Fabricius d'Aquapendente
(1537-1619), Andreas Vesalius (15151564), Andrea Caesalpino (1525-1603) e
Mateo Realdo Colombo (1516-1559).
Com John Mayow (1641-1679), foi
demonstrada a união química (e transporte)
pelo sangue de uma substância presente na
atmosfera, o “espírito nitroso do ar”, que
seria vital para a vida (e também para manter as chamas das velas acessas) a qual,
cerca de um século mais tarde, se demonstrou ser o oxigénio. Mayow admitia que a
mistura daquela substância com o sangue
provocava “fermentação e aquecimento”;
ao ser expelido do coração para o sistema
arterial, o sangue mantinha o “calor corporal” e era essencial para a contracção muscular; aquelas “partículas nitrosas e o espírito animal” provocariam uma “explosão”
que dilatava os músculos, contraindo-os;
sem constituintes nitrosos no sangue não
haveria contracção muscular e sem respiração não haveria vida. Efectivamente, após
as experiências de Robert Boyle (1627-1691), em animais encerrados em recipientes com ar ou vácuo, tornou-se indiscutível que o ar transportado pelo fluxo
sanguíneo era essencial à vida.
O passo seguinte foi dado por Marcello
Malpighi (1628-1694), ao demonstrar que
o sangue não circulava em espaço aberto
nos parênquimas a que era transportado,
mas somente em canais estanques, com
características estruturais e calibres variáveis, que terminariam numa rede capilar
muito fina e de continuidade preservada. A
descoberta microscópica dos capilares
pulmonares por Malpighi completou as
observações iniciadas por Harvey, ao demonstrar a existência de uma organização
vascular que alcançava todos os sectores
do organismo. Seguiram-se, como etapas
fundamentais, a revelação da existência de
uma circulação colateral das artérias, em
1785, por John Hunter (1728-1793), e os
the discoverer of small circulation) and the
successively by Miguel Servet (1511-1553),
Fabricius d’Aquapendente (1537-1619),
Andreas Vesalius (1515-1564), Andrea
Caesalpino (1525-1603) and Mateo Realdo
Colombo (1516-1559).
John Mayow (1641-1679) demonstrated
the chemical union (and transportation)
through blood of a substance present in the
atmosphere, the “nitrous spirit of the air”,
that would be vital for life (and also to
maintain the flames of life lit) and which
about a century later was proven to be
oxygen. Mayow accepted that the mixing
of that substance with blood provoked
“fermentation and heating”; when it was
expelled from the heart to the arterial
system, the blood maintained “body heat”
and was essential for muscular contraction; those “nitrous particles and the animal
spirit” would provoke an “explosion” that
dilated the muscles, contracting them;
without nitrous elements in the blood there
would be no muscular contraction and
without breathing there would be no life.
Indeed, after Robert Boyle’s (1627-1691)
experiments on animals locked in recipients
with air or in a vacuum it became clear that
the air transported by blood flow was
essential to life.
The next step was taken by Marcello
Malpighi (1628-1694) in demonstrating
that blood did not circulate in open space
in the parenchemas to which it was carried,
but only in closed channels with variable
structural characteristics and calibres, that
ended in a very thin capillary network with
preserved continuity. The microscopic
discovery of pulmonary capillaries by
Malpighi completed the observations begun
by Harvey, in demonstrating the existence
of a vascular organisation that reached all
the sectors of the organism. The fundamental stages that followed on were: the
revealing of the existence of a cerebral
circulation in the arteries, in 1785, by John
Hunter (1728-1793), and the studies by
Ernest Weiber (1795-1878), in demonstrating that (arterial) blood flow progressed
as if in “waves” (1827).
estudos de Ernest Weiber (1795-1878), ao
demonstrar que o fluxo sanguíneo (arterial)
progredia como que em “ondas” (1827).
A compreensão do fluxo sanguíneo, tendo em conta as características, o conteúdo
dos vasos, o impulso propulsor do coração
e a existência de uma resistência natural à
livre circulação sanguínea nas partes mais
estreitas da rede vascular, veio a tomar
forma, em 1840, com Jean Léonard
Poiseuille (1799-1869), fisiologista e
médico francês de renome, a propósito do
estudo das propriedades físicas de líquidos
que fazia fluir por tubos com calibre
padronizado. Desses estudos observou que
havia dois grandes tipos de líquidos
fluentes (designados por fluidos), uns que
tinham as propriedades dos líquidos ideais,
como a água, e outros que não as tinham,
como o sangue, os óleos e substâncias
equivalentes. Ao estudar o fluxo sanguíneo
verificou que o plasma progredia preferencialmente junto da parede vascular, enquanto
que os constituintes globulares mais volumosos e numerosos (particularmente os
eritrócitos) circulavam no eixo circulatório.
Aquele tipo de fluxo axial dos eritrócitos,
também observado por Poiseuille em tubos
capilares de vidro, foi posteriormente (1868)
confirmado por A. Schklarewsky.
No seu conjunto, a investigação de
Poiseuille deu sequência às observações
que Isaac Newton (1642-1727) havia realizado sobre o comportamento dos líquidos
viscosos ideais (de que derivou posteriormente a designação de líquidos “newtonianos”, que pressupunha a existência de
líquidos com comportamento não ideal,
“não-newtoniano”). Robert Hooke (1635-1703) acrescentou o conceito de comportamento reológico aos sólidos elásticos ideais.
Estes estudos vieram a ser retomados, cerca
de dois séculos depois, por James Maxwell
(1831-1879) e Ludwig Boltzman (1844-1906) quanto ao comportamento dos líquidos e sólidos viscoelásticos não ideais.
Somente após aquelas observações de
Poiseuille foi alcançada a importância dos
estudos que um holandês, sem formação
técnica mas com notável perspicácia e
Understanding of blood flow, taking into
account its characteristics, the content of
the vessels, the propelling impulse of the
heart and the existence of a natural resistance to free blood flow in the narrowest
parts of the vascular network began to take
shape in 1840, with Jean Léonard Poiseuille
(1799-1869), a renowned French physiologist and doctor, in relation to the study of
the physical properties of liquids that he
had flow through tubes with a standardised
calibre. From these studies he observed
that there were two major types of flowing
liquids (designated as fluids): those which
had the properties of ideal liquids, like
water, and others which did not, as blood,
oil and like substances. On studying blood
flow he verified that the plasma progressed
particularly next to the vascular wall, while
the most voluminous and numerous globular elements (particularly the erythrocytes)
circulated in the circulatory axis. That type
of axial flow of the erythrocytes, also observed by Poiseuille in capillary tubes, was
later (1868) confirmed by A. Schklarewsky.
As a whole, Poiseuille’s research carried
on the observations that Isaac Newton
(1642-1727) had carried out on the behaviour of ideal viscous liquids (from which
later derived the designation “Newtonian”
liquids, presupposing the existence of
liquids with non-ideal “non-Newtonian”
behaviour). Robert Hooke (1635-1703)
added the concept of rheological behaviour
to ideal elastic solids. These studies were
returned to, around two centuries later, by
James Maxwell (1831-1879) and Ludwig
Boltzman (1844-1906) in relation to the
behaviour of non-ideal visco-elastic liquids
and solids.
Only after those observations by Poiseuille
was importance granted to the studies that
a Dutchman without any technical training
but with remarkable insight and scientific
devotion, Antonie van Leeuwenhoek (16321723), had carried out around a hundred
and fifty years earlier. In relation to many
particles, substances and minuscule beings
he had observed in his microscopes (of
which 240 models are known), Leeuwen-
183
Viscosímetro Coulter Harkness
1985
UK: Coulter Electronics (fabricante)
Vidro, metal, plástico e material
electrónico
495 x 385 x 355 mm
Bioquímica, Faculdade de Medicina
de Lisboa
Coulter Harkness Viscosimeter
1985
UK: Coulter Electronics
(manufacturers)
Glass, metal, plastic and electronic
material
495 x 385 x 355 mm
Collection of the Institute of
Biochemistry,
Lisbon Faculty of Medicine
184
Viscosímetro Coulter Harkness
pormenor
Coulter Harkness Viscosimeter
detail
VISCOSÍMETRO COULTER HARKNESS. Instrumento utilizado para medir a resistência ao fluxo de líquidos nãonewtonianos (soro, plasma ou sangue) pelo método de fluxo capilar descrito por Harkness. Habitualmente o
equipamento restringe-se à medição da viscosidade sérica ou plasmática sendo a do sangue determinada por outros
modelos. A viscosidade do plasma ou soro reflecte alterações na concentração de uma ou mais das fracções
proteicas. O equipamento é constituído por um sistema de tubos capilares em vidro calibrado com 0,38 mm de
diâmetro interno e 200 mm de comprimento. O sistema está conectado a um manómetro com uma coluna de
mercúrio de 50 mm de altura que estabelece pressão constante sobre 0,5 ml da amostra em estudo (por exemplo,
plasma), fazendo-a fluir na coluna capilar. O valor do fluxo é medido pelo tempo de deslocação da coluna de
mercúrio, cujo menisco, ao passar por dois eléctrodos situados a intervalos fixos da coluna capilar, activa um
temporizador electrónico. O tempo (em segundos), lido directamente num mostrador, corresponde ao valor da
viscosidade expresso em unidades de miliPascal.segundo (mPa.s). Todo o percurso de medição pode ser visualizado
directamente pelo operador, o que tem a vantagem de detectar imediatamente situações de bloqueio de fluxo no
sistema capilar. J. MARTINS E SILVA
devoção científica, Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), havia realizado cerca de
150 anos antes. A propósito das muitas
partículas, substâncias e seres minúsculos
que observara nos seus microscópios (de que
são conhecidos 240 modelos), Leeuwenhoek escrevera a seguinte frase enigmática:
“a forma dos (seus) eritrócitos estava relacionada com o (seu) estado de saúde:
quando estava doente os glóbulos pareciam-lhe estar mais rígidos, recuperando a maleabilidade e aparente viabilidade quando se
sentia melhor”. Sem o saber (e certamente),
sem o suspeitar, Leeuwenhoek referia-se a
uma propriedade que, cerca de dois séculos
mais tarde, seria designada por deformabilidade eritrocitária.
Depois de Poiseuille, também Duncan e
Gamgee chegaram à mesma conclusão, em
1871, ao estudarem a viscosidade do sangue
em tubos de vidro. Em 1913 foi apresentado por Emil Hatschek um primeiro instrumento para a determinação da viscosidade
dos fluidos. Hess (1915) verificou que o
sangue apresentava propriedades equivalentes às dos fluidos ideais somente quando
o seu fluxo era rápido e não havia fricção
relevante no circuito vascular. Trabalhos
convergentes foram desenvolvidos por
A. du Pre Denning e John Watson, publicados em 1906.
A etapa decisiva para o esclarecimento
da viscosidade proveio de Robin Fåhraeus
(1888-1968), ao comparar as curvas de
fluxo sanguíneo em tubos capilares progressivamente mais finos. Desses estudos
iniciais (1929-1931) sobressai a importância da deformabilidade dos glóbulos (em
particular dos eritrócitos, por serem muito
mais numerosos, embora os leucócitos, por
serem mais volumosos, provoquem obstruções potenciais muito mais facilmente) no
comportamento do fluxo.
Aqueles resultados foram associados às
observações clínicas de F. Gaisböck (1905),
hoek had written the following enigmatic
sentence: “the form of (his) erythrocytes
was related to (his) state of health: when he
was ill the globules seemed to be more
rigid, recovering malleability and apparent
viability when he felt better”. Without
knowing, and (certainly) without suspecting
it, Leeuwenhoek was referring to a property
that around two centuries later would be
termed erythrocyte deformability.
After Poiseuille, Duncan and Gamgee
also came to the same conclusion in 1871,
when studying blood viscosity in glass
tubes. In 1913 Emil Hatschek presented a
first instrument for determining the viscosity of fluids. Hess (1915) verified that
blood had properties equivalent to those of
ideal liquids only when the flow was rapid
and there was no relevant friction in the
vascular circuit. Convergent works were
carried out by A. du Pre Denning and John
Watson, published in 1906.
The decisive stage for clarification of
viscosity came from Robin Fåhraeus (18881968), in comparing the curves of blood
flow in progressively thinner capillary
tubes. What stands out from among those
initial studies (1929-1931) is the importance of the deformability of the globules
(particularly the erythrocytes, as they are
more numerous, although the leucocytes,
being more voluminous, provoke potential
obstructions much more easily) in the
behaviour of the flow.
Those results were associated to the
clinical observations of F. Gaisböck (1905),
who had noted that in patients with arterial
hypertension and polygloburia there was a
marked tendency for them to complain of
dizziness. In the meantime, Burton-Opitz
(1911) also noted that the increase in
viscosity would be a harmful factor not
only for cardiac functions but also for most
organs; cardiac hypertrophy could be
attributed, among other factors, to increase
COULTER HARKNESS VISCOSIMETER. Instrument used to measure the resistance to the flow of non-Newtonian
(serum, plasma or blood) by the method of capillary flow described by Harkness. The equipment is usually
restricted to the measuring of serum or plasmatic viscosity, with that of blood being determined by other models.
The viscosity of the plasma or serum reflects alterations in the concentration of one or more of the proteic fractions.
The equipment is made up of a system of capillary tubes in calibrated glass with an inner diameter of 0.38 mm
and a length of 200 mm. The system is connected to a manometer with a 50 mm high mercury column that
establishes constant pressure on 0.5 ml of the sample being studied (plasma, for example), making it flow in the
capillary column. The value of the flow is measured by the time of movement of the mercury column, the meniscus
of which, when it passes through two electrodes placed at fixed intervals on the capillary column, activates an
electronic timer. The time (in seconds) read directly on a display, corresponds to the value of the viscosity
expressed in units of milliPascal.second (mPa.s). The whole process of measurement may be visualised directly
by the operator, which has the advantage of one being able to immediately detect situations of block in the flow
of the capillary system. J. MARTINS E SILVA
185
186
que constatara em doentes com hipertensão
arterial e poliglobúria uma acentuada tendência para se queixarem de vertigens.
Entretanto, também Burton-Opitz (1911)
referiu que o aumento de viscosidade seria
um factor lesivo não só para as funções cardíacas mas também para a generalidade dos
orgãos; a hipertrofia cardíaca seria atribuível, entre outros factores, ao aumento da
resistência periférica, produzida pela obstrução da rede capilar por sangue “mais
espesso”.
S.R.F. Whittaker e F.R. Winton afirmaram (1933) que o reduzido diâmetro dos
capilares dos mamíferos justificava a diminuição da fricção interna ao fluxo, “porque
os eritrócitos deslocam-se numa fiada única
e ininterrupta”. A presença dos glóbulos
reduziria igualmente o revestimento plasmático interno desses capilares, enquanto
uma camada mais espessa limitaria as
trocas capilares de substâncias entre o
sangue e os tecidos irrigados.
A partir dos estudos de A.L. Copley
(1941), a determinação da viscosidade
sanguínea passou a ser um passo indispensável para uma mais correcta avaliação de
situações patológicas comuns e das síndromes de hiperviscosidade, quer sejam de
causa hematológica ou não hematológica.
Em 1942 J. Nuremberger estudou a relação
entre a viscosidade do sangue e diversas
situações patológicas. Também com Copley
ficou assente que nem o sangue nem as
paredes vasculares deveriam ser analisadas
independentemente entre si, pois que constituiriam, na realidade, um orgão funcional
interactivo. Cálculos recentes indicam que
a superfície endotelial no homem adulto
tem uma área comparável à de um estádio
de futebol. Nesse “campo”, presente em
todos os sectores do organismo, decorrem
permanentes e múltiplas actividades que
afectam não só a captação dos nutrientes ou
a eliminação de produtos transportados
pelo sangue, como também a condução de
sinais especiais (químicos, mecânicos e
térmicos) interorgãos, a serem sensibilizados pelo endotélio e daqui emanados a
in peripheral resistance, produced by
obstruction of the capillary network by
“thicker” blood.
S.R.F. Whittaker and F.R. Winton stated
(1933) that the reduced diameter of the
capillaries of mammals justified the reduction of internal friction to flow “because
the erythrocytes travel in a single, uninterrupted thread”. The presence of the
globules would also reduce the internal
plasmatic coating of these capillaries,
while a thicker layer would limit the
capillary exchange of substances between
the blood and irrigated tissue.
Starting from studies by A.L. Copley
(1941), the determination of blood viscosity
became an indispensable step towards a
more correct assessment of common pathological situations and of syndromes of
hyperviscosity, whether haematologically
caused or not. In 1942 J. Nuremberger
studied the relationship between blood viscosity and different pathological situations.
With Copley it was also established that
neither the blood nor the vascular walls
should be analysed independently from
each other, as they in fact formed an interactive functional organ. Recent calculations indicate that the endothelial surface
in the adult man has an area comparable
to that of a football stadium. In that “field”,
present in all sectors of the organism, there
are permanent and multiple activities that
affect not only the capturing of nutrients or
the elimination of products transported by
blood, but also the conducting of special
inter-organ (chemical, mechanical and
thermal) signals, being made affected by
the endothelium and then emanated to all
the layers of the vascular wall and of the
surrounding tissues.
Blood viscosity would occupy a central
place, whether as a polariser of many influences or as the origin or conditioner of
the characteristics of the flow and, implicitly, the performance of bodily functions.
After these studies A.L. Copley (1952)
coined the term haemorrheology (from the
Greek haima, blood + rheos, flow + logia,
todas as camadas da parede vascular e dos
tecidos envolventes.
A viscosidade sanguínea ocuparia um
lugar central, quer como polarizador de
múltiplas influências quer como origem ou
condicionador das características do fluxo
e, implicitamente, a execução das funções
corporais.
Na sequência daqueles estudos, foi
cunhado, ainda por A.L. Copley (1952), o
termo hemorreologia (do grego haima,
sangue + rheos, fluxo + logia, estudo), para
caracterização de uma ciência nascente em
que o sangue e as paredes vasculares funcionam interactivamente no organismo vivo,
na presença de substâncias endógenas ou
exógenas. Porém, na base dessas possibilidades e interacções, subsiste necessariamente a capacidade de deformação globular
na rede circulatória, a que acresce também
a da agregação eritrocitária em determinadas condições, fisiológicas ou anormais.
CARACTERIZAÇÃO
DO FLUXO SANGUÍNEO
Por tudo o que foi dito e confirmado,
parece evidente que uma parte significativa
das funções do sangue depende do seu
movimento e das condições em que decorre
o fluxo intravascular. Entre essas funções
tomam particular destaque as trocas de
nutrientes e de outras substâncias a nível da
rede capilar, ou seja, em todos os orgãos e
tecidos corporais. Por conseguinte, os
condicionalismos que afectam essas trocas
poderão variar entre a irrelevância (fisiológica e bioquímica) e os constrangimentos
dramáticos. Essa variabilidade, quando
restrita ao local da difusão, é condicionada
de um lado pela densidade da rede capilar
funcional, e, por outro, pela espessura das
paredes membranares interpostas (em
geral, a da camada endotelial e as dos glóbulos em transito intracapilar), pela permeabilidade dos seus poros ou espaços
intercelulares, pela actividade dos seus
mecanismos de transporte e por outros
importantes factores, que constituem o
mundo biológico do infinitamente pequeno.
study) in order to characterise a new
science in which blood and the vascular
walls functioned interactively in the living
organism in the presence of endogenous or
exogenous substances. However, at the
base of these possibilities and interactions
there is, necessarily, the capacity for globular deformation in the circulatory network, added to by the erythrocytic aggregation in certain physiological or abnormal
conditions.
CHARACTERISATION
OF BLOOD FLOW
According to everything that has been
stated and confirmed it seems evident that
a significant part of the functions of blood
depends on its movement and on the
conditions in which intravascular flow
occurs. Of particular importance among
these functions are the exchange of nutrients and other substances on the level of
the capillary network, that is, in all the
body’s organs and tissues. Consequently,
the conditioning factors that affect these
exchanges may vary between (physiological and biochemical) irrelevance and
dramatic constraints. This variabilty, when
restricted to the place of diffusion, is conditioned on the one hand by the density of
the functional capillary network and on the
other by the thickness of the interposed
membrane walls (in general that of the
endothelial layer and that of the globules
in intra-capillary transit), by the permeability of its pores or intra-cellular spaces,
by the activity of its mechanisms of transportation and by other important factors
that make up the biological world of the
infinitely small.
Added to these conditioning factors is the
fluidity of the blood, determined by the
combination of almost identical volumes of
plasma and cellular particles in suspension,
although that proportion in vivo varies
radically between the capillary sector and
the content of the major vessels. Considering that plasma is a colloidal solution
containing a high proportion (7 to 8%) of
187
188
Àqueles condicionalismos acresce a fluidez do sangue, determinada pela combinação de volumes quase idênticos de plasma
e de partículas celulares em suspensão,
embora essa proporção in vivo varie radicalmente entre o sector capilar e o conteúdo
dos grandes vasos. Tendo em atenção que
o plasma é uma solução coloidal contendo
elevada proporção (7 a 8%) de proteínas e
lípidos em emulsão, conclui-se que a fluidez
do sangue, qualquer que seja o vaso considerado, também será dependente da força
impulsionadora da corrente sanguínea e da
resistência que a mesma encontra no seu
trajecto, quer na dependência do calibre (e
das ramificações) dos vasos perfundidos
quer pela densidade do conteúdo sanguíneo
em movimento.
Todavia, se a viscosidade do sangue (que
é o inverso da fluidez) decorresse exclusivamente da concentração relativa dos
lípidos e proteínas dissolvidos, o seu valor
seria muito superior ao normalmente verificado. Tal não sucede por aquelas substâncias estarem distribuídas também pela
fase “sólida” do sangue, isto é, os seus
corpúsculos celulares. Ainda que a viscosidade sanguínea seja 3,5 a 4,0 vezes
superior à da água, o seu valor real seria
substancialmente superior na ausência dos
glóbulos sanguíneos. Desta distribuição
resulta que os componentes celulares da
suspensão sanguínea deslocam-se entre si
de modo relativamente estável, e no mesmo
sentido da corrente, em “camadas” aparentemente paralelas entre si e à parede dos
vasos, contribuindo para valores mínimos
de fricção e/ou adesão relativas.
O comportamento do fluxo depende das
propriedades da amostra líquida em observação, tais como o peso molecular e respectiva distribuição. Este conceito tanto se
aplica a polímeros como a outro material
que tenha características de líquido “newtoniano” ou “não-newtoniano”.
A viscosidade expressa o atrito interno
da substância fluida, provocado pela atracção molecular recíproca, de que resulta a
resistência ao respectivo fluxo. A viscosidade torna-se evidente quando determinada
camada do fluido é induzida a deslocar-se
proteins and lipids in emulsion, one can
conclude that the fluidity of blood, whatever the vessel being considered, will also
be dependent on the impulsion force of the
bloodstream and on the resistance it
encounters on its path, both depending on
the calibre (and on the ramifications) of the
perfused vessels and the density of the
moving blood content.
However, if the viscosity of blood (which
is the opposite of fluidity) came exclusively
from the relative concentration of dissolved
lipids and proteins, its value would be
much higher that what is normally verified.
This does not happen because those substances are also distributed throughout the
“solid” phase of blood, that is, its cellular
corpuscles. Although blood viscosity is 3.5
to 4.0 times greater than that of water, its
real value would be substantially higher
without blood globules. This distribution
results in the cellular components of the
blood suspension travelling among each
other in a relatively stable manner and in
the same direction as the bloodstream in
“layers” that are apparently parallel to
each other and to the walls of the vessels,
contributing towards minimal values of
relative friction and/or adhesion.
The behaviour of the flow depends on the
properties of the liquid sample under
observation, such as molecular weight and
the respective distribution. This concept
can be equally applied to polymers and to
other material that has the characteristics
of “Newtonian” or “non-Newtonian” liquids.
The viscosity expresses the internal attrition of the fluid substance, provoked by the
reciprocal molecular attraction, resulting
in resistance to the respective flow. The
viscosity becomes evident when a determined layer of the fluid is induced to shift
relative to the other adjacent layer, which
is called shearing. The greater the friction
the greater the force required to provoke
this movement. Consequently there is
shearing whenever there is shifting or
physical redistribution of the matter in a
determined fluid. The most viscous fluids
require greater force (tension) of shearing
than the less viscous ones.
relativamente a outra camada adjacente, o
que é designado por cisalhamento. Quanto
maior for a fricção maior será a força
requerida para provocar aquele movimento.
Por conseguinte, há cisalhamento sempre
que em determinado fluido existem deslocações ou redistribuição física de matéria.
Os fluidos mais viscosos requerem maior
força (tensão) de cisalhamento do que os
menos viscosos.
A explicação da viscosidade por Isaac
Newton admitia que o líquido (fluido) em
observação seria constituído por planos
paralelos (A e B), separados entre si por
uma determinada distância (dx). Considerando que ambos os planos se deslocavam
na mesma direcção, esse movimento pressuporia velocidades diferentes (v1 e v2)
para cada um dos planos. A manutenção
dessas velocidades diferentes (gradiente de
velocidades) seria assegurada pela força (F)
exercida na coluna líquida – fórmula 1:
F
=
A
Isaac Newton’s explanation of viscosity
admitted that the liquid (fluid) under
observation would be made up of parallel
planes (A and B), separated by a determined distance (dx). Considering that both
planes moved in the same direction, that
movement would presuppose different
velocities (v1 and v2) for each of the
planes. The maintaining of these different
velocities (gradient of velocities) would be
guaranteed by the force (F) exerted on the
liquid column – formula 1:
F
=
A
in which:
= constante específica da substância, que define
a sua viscosidade.
dv
= gradient of velocity; it measures the
dx
difference of the velocity of shift between the
layers, which translates the shear rate (or S),
expressed in inverse of seconds ( s-1).
dv
dx
em que:
F
= indicates the force (F) exerted by unit of area
A
(A), which results in a relative shift of the
layers (shearing); it defines the value of
shear stress F’ (expressed in dine/cm2).
= constante específica da substância, que define
a sua viscosidade.
dv
= gradiente de velocidade; mede a diferença da
dx
velocidade de deslocação das camadas entre
si, que traduz a relação de cisalhamento (ou S),
expressa em inverso de segundos (s-1).
F
= indica a força (F) exercida por unidade de
A
área (A) de que resulta uma deslocação
relativa das camadas (cisalhamento); define o
valor da tensão de cisalhamento F’ (expressa
em dine/cm2).
Simplificadamente, o valor da viscosidade
seria calculado por – fórmula 2:
=
F’ tensão de cisalhamento
= relação de cisalhamento
S
dv
dx
Simplified, the value of viscosity would be
calculated by – formula 2:
==
F’
cisalhamento
F’ tensão
shear de
stress
==
de cisalhamento
shear rate
SS relação
The fundamental unit of viscosity in the
metric system is the poise. If for a velocity
of shearing of s -1 a tension of shearing of
1 dine/cm 2 is applied, the viscosity of
substance will be equal to 1 poise (or 100
centipoise). In the international system, 10
poise are equivalent to 1 Pascal.second
(Pa.s), with 1 centipoise being equivalent
to 1 miliPascal.second (mPa.s).
Also according to Newton, at the same
temperature all matter would have values
189
190
A unidade fundamental da viscosidade no
sistema métrico é o poise. Se para uma
velocidade de cisalhamento de s-1 for aplicada uma tensão de cisalhamento de 1 dine/
cm 2, a viscosidade de substância será igual
a 1 poise (ou 100 centipoise). No sistema
internacional, 10 poise equivalem a 1
Pascal.segundo (Pa.s), sendo 1 centipoise
equivalente a 1 miliPascal.segundo (mPa.s).
Ainda de acordo com Newton, todas as
matérias teriam, à mesma temperatura,
valores da viscosidade independentes da
velocidade de cisalhamento. Porém, aquele
pressuposto aplica-se somente aos líquidos
newtonianos (p. ex. a água), em que a velocidade de cisalhamento é proporcional à
tensão de cisalhamento. Nos líquidos não-newtonianos (p. ex. sangue), em que a
relação não é constante, isto é, a relação de
cisalhamento não é proporcional à tensão
de cisalhamento exercida, os valores de
viscosidade variam em função da relação
de cisalhamento. Nestas condições, a viscosidade determinada é “aparente”.
Está demonstrado que as camadas mais
próximas da parede tubular apresentam
velocidade de deslocação relativa mínima,
enquanto as partes restantes do fluxo se
deslocam a velocidade tanto maior quanto
mais próximo estiverem do eixo da corrente.
A espessura teórica de cada camada, a velocidade relativa da sua deslocação, o atrito
resultante da deslocação de cada camada
(relativamente às que lhe estão adjacentes)
e, por fim, o valor da viscosidade da suspensão, são consequências da estrutura molecular dessa suspensão. Tendo presente o
exposto e admitindo que a suspensão é
homogénea (como nos líquidos perfeitos,
com comportamento “newtoniano”), a velocidade relativa do fluxo laminar que passa
em dado momento por um mesmo sector
vascular é representada por um gradiente
(parabólico) de velocidades, cujo valor
máximo é verificado no centro e diminui
progressivamente até à parede vascular
(extremidade do diâmetro tubular).
O valor da fricção estabelecida entre as
camadas adjacentes determina o índice
of viscosity independent of the shearing
velocity. However, such a supposition is
only applied to Newtonian liquids (such as
water, for example), in which the shearing
velocity is proportional to the shear stress.
In non-Newtonian liquids (blood, for
example), in which the relationship is not
constant, that is, the shear rate is not
proportional to the shear stress exerted, the
values of viscosity vary according to the
shear rate. In these condition the viscosity
determined is “apparent”.
It has been demonstrated that the layers
closest to the tubular walls show minimal
velocity of relative shift, while the remaining parts of the flow travel at a velocity
that is greater according to how close they
are to the axis of the stream. The theoretical
thickness of each layer, the relative velocity
of its shift, the attrition resulting from the
shifting of each layer (relative to the ones
adjacent to it) and, finally, the value of the
viscosity of the suspension, are consequences of the molecular structure of the
suspension. Bearing this in mind, and
accepting that the suspension is homogenous (as in perfect liquids, with “Newtonian” behaviour), the relative velocity of
the laminar flow that passes through a
vascular sector at any given moment is
represented by a (parabolic) gradient of
velocities, the maximum value of which
takes place at the centre and progressively
diminishes out until the vascular wall (the
extremity with a tubular diameter).
The value of the friction established
between the adjacent layers determines the
index designated as the shear rate, which
is greater when the velocity of the intratubular flow is greater, or, for the same
value of flow, when the tubular diameter is
smaller.
Poiseuille’s studies (1836) led to an
equation that could be applied to homogenous liquids, in which when the velocity
of flow of a determined tube is proportional
to the difference in pressure and to the
radius of the tube raised to the power of
four, and is inversely proportional to the
designado por relação de cisalhamento, a
qual será tanto maior quanto mais acentuada for a velocidade do fluxo intratubular
ou, para o mesmo valor de fluxo, menor o
diâmetro tubular.
Os estudos de Poiseuille (1836) conduziram a uma equação aplicável aos liquídos
homogéneos, em que sendo a velocidade
do fluxo de determinado tubo proporcional
à diferença da pressão e ao raio do tubo
elevado à 4ª potência, e inversamente proporcional ao comprimento do tubo, conclui-se que a viscosidade é, na generalidade,
independente da relação de cisalhamento.
Posteriormente, Baylers (1952) verificou
que nenhum daqueles pressupostos que
constituem a equação de Poiseuille coexiste,
em geral, em condições fisiológicas. Desta
discrepância (em que o conteúdo intravascular também não é uma solução perfeita),
resulta que o valor obtido para a viscosidade
é aparente e variável com as condições de
fluxo e, muito em particular, a viscosidade
aparente torna-se menos acentuada à medida
que o diâmetro tubular diminui (Fåhraeus
e Lindqvist, 1931). Comparativamente às
determinações em tubos capilares de vidro,
a viscosidade aparente do sangue in vivo
era (na pata de cão) duas vezes inferior
(Whittaker e Winton 1933).
A tendência que os glóbulos vermelhos
revelam para circularem no eixo central do
fluxo sanguíneo intravascular, já reconhecido por Poiseuille, justifica que, à medida que a velocidade de perfusão aumenta,
mais glóbulos convergem para o centro e
mais livres de elementos celulares estará a
camada plasmática junto das paredes
vasculares. Daqui resulta que o sector do
fluxo com valores mais elevados da relação
de cisalhamento são aqueles em que predomina o plasma (junto das paredes vasculares), os quais, por si, apresentam
valores de viscosidade cerca de metade do
sangue total, pelo que a viscosidade
aparente do sangue, no seu todo, tende a
aproximar-se dos valores do plasma.
Por sua vez, a convergência dos eritrócitos (e também dos leucócitos) para o eixo
do fluxo sanguíneo obedecerá a forças
length of the tube, one concludes that
viscosity is, in general, independent of the
shear.
Later, Baylers (1952) verified that none
of these presuppositions that make up
Poiseuille’s equation coexists, in general,
in physiological conditions. This discrepancy (in which the intravascular content
is also not a perfect solution) results in the
value being obtained for viscosity being
apparent and variable with the conditions
of flow and, very particularly, the apparent
viscosity becomes less marked as the tubular diameter diminishes (Fåhraeus and
Lindqvist, 1931). Comparatively to the
determinations in glass capillary tubes, the
apparent viscosity of blood in vivo was (in
a dog’s paw) twice lower (Whittaker and
Winton 1933).
The tendency that red globules reveal for
circulating in the central axis of the intravascular bloodstream, that had already
been recognised by Poiseuille, justifies the
fact that, as the velocity of perfusion increases, more globules converge on the
centre and the plasmatic layer near to the
vascular walls will be freer. The result of
this is that the sector of flow with higher
values of shear rate are those that predominate the plasma (close to the vascular
walls), which in themselves present values
of viscosity of about half that of the total
blood, for which reason the apparent
viscosity of blood as a whole tends to be
close to the values of the plasma.
In turn, the convergence of erythrocytes
(and also of leucocytes) on the axis of the
blood flow will obey complex forces that
involve rotating movements of the corpuscles on themselves, first in approaching
the plasma layer, provoking an increased
local resistance (hydrostatic pressure), and
from here (due to this) impelled (still rotating) towards the vascular axis. In this
positioning, in which the velocity of flow is
identical on any of the sides of the globules
in axial circulation, the respective rotation
ceases. The smaller corpuscles, such as
platelets, also tend to circulate mainly close
to the vascular walls. Due to this relative
191
192
complexas que envolvem movimentos de
rotação dos corpúsculos sobre si próprios,
primeiro aproximando-se da camada de
plasma, provocando aumento da resistência
(pressão hidrostática) local, e daqui (por
isso) impelidos (ainda sob rotação) para o
eixo vascular. Neste posicionamento, em
que a velocidade do fluxo é idêntica em
qualquer uma das faces dos glóbulos em
circulação axial, cessa a respectiva rotação.
Os corpúsculos com menores dimensões,
como as plaquetas, tendem também a circular preferencialmente junto das paredes
vasculares. Por via desta distribuição relativa dos constituintes do sangue, os eritrócitos como que demoram menos tempo a
percorrer a extensão de cada vaso do que o
plasma e as plaquetas, mais próximos das
paredes vasculares.
Nas situações em que diminui a pressão
de perfusão e ou aumenta o diâmetro vascular, também decresce a perfusão na rede
capilar. Nas situações em que aumenta a
adesão (entre si ou com as paredes vasculares) ou a rigidez eritrocitária, os leucócitos
são forçados a aproximarem-se mais das
paredes vasculares (Fåhraeus, 1929), o que
se traduz igualmente numa velocidade de
circulação mais lenta do que a do fluxo axial.
Em condições normais, o fluxo sanguíneo
é assegurado pelas funções cardiovasculares e pela fluidez do sangue, sendo esta
também dependente da integridade e funcionalidade do endotélio e do equilíbrio da
hemostase. De outro modo, o sangue tenderá
a coagular e, por consequência, a bloquear
(local ou disseminadamente) a pressão
vascular. Porém, a diminuição ou bloqueio
da activação dos factores coagulantes em
condições fisiológicas normais impede a
formação de trombos. Nas situações em
que a circulação sanguínea é mais lenta, são
potencialmente criadas condições para o
desencadeamento e consolidação da coagulação, sendo os mecanismos anticoagu-
Viscosímetro rotativo
Wells-Brookfield
1990
R. E. Wells (inventor)
Massachusetts, USA: Brookfield
Engineering Laboratories
(fabricante)
Metal, plástico e material
electrónico
490 x 275 x 270 mm
Bioquímica, Faculdade de Medicina
de Lisboa
Wells-Brookfield Rotative
Viscosimeter
1990
R. E. Wells (inventor)
Massachusetts, USA: Brookfield
Engineering Laboratories
(manufacturer)
Metal, plastic and electronic
material
490 x 275 x 270 mm
Collection of the Institute of
Biochemistry, Lisbon Faculty of
Medicine
distribution of the constituent elements of
blood, the erythrocytes take less time to
travel the length of each vessel than the
plasma and the platelets, which are closer
to the vascular walls.
In the situations in which the pressure of
perfusion diminishes and/or the vascular
diameter increases, the perfusion in the
capillary network also decreases. In the
situations in which adhesion or erythrocytic
rigidity increases (among themselves or in
relation to the vascular walls), the leucocytes are forced to come closer to the
vascular walls (Fåhraeus, 1929), which
also results in a slower circulation velocity
than that of axial flow.
VISCOSÍMETRO ROTATIVO WELLS-BROOKFIELD. Este equipamento, concebido por R. E. Wells nos anos 50
do século XX , tem sido, desde então, utilizado regularmente em estudos hemorreológicos para medir a viscosidade
absoluta (em geral de sangue total) sob condições definidas de velocidade e tensão de cisalhamento. O sistema
de medição, designado por “cone-disco”, inclui uma haste metálica unida a um motor rotativo e que, na extremidade
inferior termina na forma de cone. Esta extremidade fica em contacto com um pequeno disco, também metálico, em
cuja superfície se pipetam 0,2 a 2,0 mililitros da amostra do líquido para estudo. A velocidade de rotação utilizada,
pré-fixada, provoca a deslocação da superfície líquida. A resistência à deslocação, proporcional à viscosidade da
amostra, é lida directamente numa escala digital, sendo os valores expressos em miliPascal.segundo (mPa.s).
Atendendo às características do equipamento, a reprodutibilidade dos resultados é pequena para valores de
velocidade de cisalhamento inferiores a 23 s-1. O conjunto de medição está incorporado num invólucro termostatisado
para a circulação de água a temperatura constante. J. MARTINS E SILVA
lantes e fibrinolíticos insuficientes para
evitarem o desenvolvimento de trombose
periférica. A situação é particularmente
crítica quando co-existem placas de
ateroma dispersas e/ou localizadas em
zonas com disfunção ou desnudamento
da superfície endotelial, particularmente
passíveis de complicações tromboembólicas, cardíacas e cerebrais.
FUNDAMENTAÇÃO
DA VISCOMETRIA
Faz parte intrínseca dos fenómenos vitais
a capacidade de os organismos se adaptarem e responderem a estímulos de diversa
natureza, em geral multifactorais e combinados, externos e internos. A(s) resposta(s)
obtida(s) representarão uma modificação
do estado ou do tipo energético, com
repercussões globais ou de incidência focal.
Além dos estímulos eléctricos, químicos
ou térmicos, uma parte substancial das
funções corporais é determinada por forças
mecânicas, que objectivam, entre outras
actividades, a deslocação, o crescimento e
a orientação espacial do organismo. Não
oferece dúvidas de que, por exemplo, a
contracção muscular ou o fluxo sanguíneo
(quer seja laminar ou turbulento) representam respostas de natureza essencialmente
mecânica, ainda que na sua génese tenha
havido outro tipo de energia desencadeadora.
Por fim, a adaptação corporal aos espaços
envolventes, em repouso ou em movimento,
assim como a adaptação de cada célula às
que lhe são adjacentes na estrutura tecidual
(ou ainda quando isoladas), poderá reflectir,
a cada momento, um estímulo indutor,
sendo a transformação resultante adequada
à respectiva estrutura ou a outros condicionalismos Esta adaptação física fundamenta
a definição de reologia (do grego rheos,
fluxo), que engloba o estudo das alterações
In normal conditions blood flow is
assured by cardiovascular functions and by
the fluidity of the blood, with the latter also
being dependent on the integrity and
functionality of the endothelium and on the
equilibrium of the haemostasis. Otherwise
the blood would tend to coagulate and thus
block vascular pressure (locally or disseminatedly. However, the diminishing or
blocking of the activation of coagulating
factors in normal physiological conditions
prevents the forming of thrombi. In the
situations in which blood circulation is
slower there is the potential creating of
conditions for the developing and consolidating of coagulation, with the anticoagulation and fibrinolytic mechanisms
being insufficient to avoid the development
of peripheral thrombosis. The situation is
particularly critical when there is the coexistence of atheroma plaques that are
dispersed and/or located in zones with a
dysfunction of or stripping of the endothelial surface, which are particularly
susceptible to thrombo-embolic, cardiac
and cerebral complications.
FUNDAMENTATION OF VISCOMETRY
The capacity of organisms to adapt and
respond to stimuli of different natures,
which are generally multi-factored and
combined, external and internal, is an
intrinsic part of vital phenomena. The
response(s) obtained will represent a
modification of the state or of the energy
type, with repercussions that are either
global or focussed on one aspect.
Besides electric, chemical or thermal
stimuli, a substantial part of the body
functions is determined by mechanical
forces, which objectivate, among other activities, the movement, the growth and the
spatial orientation of the organism. There
WELLS-BROOKFIELD ROTATIVE VISCOSIMETER. This equipment, designed by R. E. Wells in the nineteen fifties,
has since then been regularly used in haemorrheological studies to measure absolute viscosity (in general of total
blood) under defined conditions of shearing velocity and tension. The measuring system, designated as “cone-disk”,
includes a metal rod linked to a rotative motor and which, at the lower end, terminates in a cone shape. This end is
in contact with a small disk, also made of metal, on the surface of which 0.2 to 2.0 millilitres of the sample of the
liquid to be studied are dripped in a pipette. The pre-fixed speed of rotation used provokes the moving of the liquid
surface. Resistance to moving, proportional to the viscosity of the sample, is read directly on a digital scale, with the
values being expressed in milliPascal.second (mPa.s). Taking into consideration the characteristics of the equipment,
the reproducibility of the results is small for values of shearing velocity lower than 23 s–1. The measuring set is
incorporated in a thermostatised wrapping for the circulating of water at a constant temperatur.
J. MARTINS E SILVA
193
194
na forma (deformabilidade) e no fluxo da
matéria, em que se incluem a viscosidade,
a elasticidade e a plasticidade.
Dos diversos estímulos multifactorais que
afectam a reologia do sangue, as forças mecânicas serão as mais fácil e rapidamente
mensuráveis. Além desta importante vantagem, o seu uso não obsta a que sejam
posteriormente analisados os seus resultados por métodos mais sensíveis, ainda
que mais demorados. Tendo em conta que
o valor da viscosidade sanguínea reflecte
mais propriamente o hematócrito da amostra, a viscosidade plasmática (e subsequente
tipo e concentração das proteínas constituintes), a deformabilidade e a agregação
eritrocitárias, os resultados da viscosidade
sanguínea dão somente uma indicação
geral sobre as características do fluxo sanguíneo, que não dispensa (sendo os valores
anormais), a individualização das causas
subjacentes.
A invenção do viscosímetro baseou-se
exactamente nos princípios mecânicos
referidos, com o objecto de traduzir em
resultados quantitativos o comportamento
dos líquidos viscosos em estudo. Por outro
lado o rigor da medição sugeria que a
viscosidade fosse entendida sob fluxo
laminar, o qual reflectiria a existência de
atrito entre as camadas adjacentes em
movimento e a subsequente resistência ao
fluxo sob determinada pressão. Pelo contrário, o fluxo turbulento constitui um
factor de imprecisão, não só por permitir a
passagem caótica de partículas de uma para
outras camadas adjacentes, como por
provocar inevitável dissipação energética.
Desta adaptação energética suplementar
resultaria que, para igual relação de cisalhamento, a tensão requerida pelo fluxo turbulento seria superior, o que (pela fórmula 2)
representaria um valor de viscosidade
erradamente mais elevado.
Para apreciar as propriedades reológicas,
ou se mede a força (a acção mecânica) que
provoca o efeito a determinar (p.ex. a viscosidade sanguínea total) ou se determinam
as alterações provocadas por uma dada
força (sobre determinada área), a qual é
are no doubts, for example, that muscular
contraction or the blood flow (whether it is
laminar or turbulent) represent responses
of an essentially mechanical nature,
although at their origin there may have
been another type of energy setting it off.
Finally, bodily adaptation to surrounding
spaces, at rest or in movement, as well as
the adaptation of each cell to those adjacent
to it in the tissue structure (or even when
they are isolated), may at any moment
reflect an inductive stimulus, with the resulting transformation being suited to the
respective structure or to other conditioning factors. This physical adaptation
fundaments the definition of rheology (from
the Greek rheos, flow), which covers the
study of alterations in the form (deformability) and in the flow of matter, including
viscosity, elasticity and plasticity.
Among the different multifactoral stimuli
that affect blood rheology, the mechanical
forces are those that are most easily and
quickly measurable. Besides this important
advantage, its use does not prevent its result
being analysed later by more sensitive, yet
slower, methods. Taking into account the
fact that the value of the blood viscosity
measures is more specifically the haemocritical value of the sample, plasmatic viscosity (and subsequent type and concentration of the constituent proteins), the erythrocyte deformability and aggregation, the
results of blood viscosity only give a general indication of the characteristics of
blood flow, which also includes (when the
values are normal) the individualisation of
the underlying causes.
The invention of the viscosimeter was
precisely based on these mechanical principles, with the aim of producing quantitative results about the behaviour of the
viscous liquids being studied. On the other
hand, the accuracy of the measurement
suggested that viscosity was understood
under laminar flow, which would reflect the
existence of attrition between the adjacent
layers in movement and the subsequent
resistance to flow under determined
pressure. Contrarily, turbulent flow cons-
designada por “tensão de cisalhamento”
quando exercida tangencialmente à superfície, ou por “tensão normal” se o for na
perpendicular dessa superfície.
As condições de fluxo são continuamente
dependentes dos corpúsculos celulares. Se
a relação de cisalhamento aumentar acentua-se a desagregação das eventuais interacções
corpusculares e/ou adesão, reduzindo-se a
viscosidade aparente. Com um aumento
adicional da relação de cisalhamento,
acentua-se a deformação dos glóbulos, que
se alongam em elipses com os diâmetros
maiores paralelos entre si (nas camadas em
deslocação) e às paredes vasculares. Nestas
condições a viscosidade aparente tende a
diminuir para valores mínimos.
Nos tubos capilares de vidro com diâmetro reduzido (e também nas arteríolas e
capilares), os eritrócitos demoram relativamente menos tempo a percorrer uma determinada extensão tubular do que o plasma.
Este efeito, tem como consequência prática
que o hematócrito nos microvasos seja
substancialmente inferior ao valor médio
geral (“efeito Fåhraeus”). Sendo o hematócrito o principal factor determinante da
viscosidade sanguínea, conclui-se que o
valor da viscosidade aparente diminui
progressivamente à medida que o sangue
perfunde vasos com diâmetro cada vez
menor (efeito Fåhraeus-Lindqvist)
Considerando o exposto, em que sobressai
a variabilidade do hematócrito e da viscosidade aparente do sangue em função do
diâmetro interno do sector vascular perfundido, conclui-se que não é possível nem
viável obter in vivo valores de viscosidade
sanguínea total que representem a situação
em cada um dos sectores vasculares.
De facto, ainda não é metodologicamente
possível obter valores representativos de
cada uma daqueles sectores, em simultâneo
e de modo a serem integrados num valor
médio final. Em segundo lugar, aqueles
valores recolhidos in vivo em determinado
instante, não reflectiriam a influência da
contínua variabilidade das funções corporais, dependentes das influências multifactorais existentes em cada momento. Por
titutes a factor of imprecision, not only
because it allows the chaotic passage of
particles from one adjacent layer to
another, but because it provokes inevitable
dissipation of energy. This supplementary
energy adaptation would result in the fact
that for an equal relation of shearing the
tension required by the turbulent flow
would be superior (through formula 2),
which would represent a value of viscosity
that was wrongly too high.
In order to appreciate rheological properties one either measures the force (the
mechanical action) that provokes the effect
to be determined (for example, total blood
viscosity) or one determines the alterations
provoked by a given force (on a determined
area), which is designated as “shear
stress” when exerted tangentially on the
surface, or as “normal tension” if it is perpendicular to that surface.
The conditions of flow are continually
dependent on the cellular corpuscles. If the
shear rate increases, the disaggregation of
possible corpuscular interactions and/or
adhesion is more marked, with apparent
viscosity being reduced. With an additional
increase in the shear rate there is a marked
increase in the deformation of the globules,
which are elongated in ellipses with the
larger diameters parallel to each other (in
the shifting layers) and to the vascular walls.
In these conditions the apparent viscosity
tends to decrease to minimal values.
In the reduced diameter glass capillary
tubes (and also in the arterioles and capillaries), the erythrocytes take relatively less
time to travel a given tubular extension
than plasma. The practical consequence of
this effect is that the haematocrit in the
micro-vessels is substantially lower than
the general average value (“the Fåhraeus
effect”). As the haematocrit is the main
determining factor in blood viscosity, it is
concluded that the value of apparent viscosity diminishes progressively as the blood
perfuses vessels with increasingly smaller
diameter (the Fåhraeus-Lindqvist effect).
Considering what has been stated, which
stresses the variability of the haematocrit
195
196
conseguinte, a determinação da viscosidade
sanguínea em cada indivíduo continua a
depender de amostras colhidas sob
condições padronizadas, a serem ensaiadas
ex vivo no pressuposto de que os valores
obtidos indiciam um determinado
comportamento.
Quando Poiseuille iniciou os estudos
sobre o fluxo e a viscosidade dos fluidos
em tubos de vidro, tinha ao seu alcance
somente a comparação desses valores com
os da água, em idênticas circunstâncias
experimentais. O primeiro equipamento
para medir a viscosidade sanguínea com
alguma reprodutibilidade foi criado cerca
de oitenta anos depois por Hatschek. Na
sequência dos estudos da viscosidade do
sangue em tubos de vidro capilar por
Fåhraeus e Lindqvist (1931), F. Höppler
desenvolveu (1933) a viscometria por
determinação do “tempo de queda” de uma
bola específica ao longo de um cilindro de
vidro cheio de líquido sob observação
(Viscosímetro Haake de bola). Um ano
mais tarde J.B. Brundage apresentou o
primeiro viscosímetro rotativo para determinações em amostras de sangue e plasma.
Desde então os viscosímetros mais utilizados distribuem-se por dois tipos de modelos, uns fundamentados nos sistemas
tubulares (Viscosímetro Coulter Harkness)
enquanto outros são do tipo rotativo
(Viscosímetro rotativo Wells-Brookfield).
Em qualquer dos casos têm sido disponibilizadas diversas variantes com base em
dois processos distintos: no primeiro é medido o valor do fluxo resultante da aplicação de um determinado espectro de tensão (método da tensão de cisalhamento
controlada) enquanto no segundo é avaliado a tensão requerida para a obstrução de
determinado valor de fluxo constante
(método da relação de cisalhamento controlada). No seu conjunto, as condições
de determinação decorrem sob condições
padrão: fluxo laminar constante, temperatura constante pré-fixada e outros pormenores técnicos importantes que asseguram sensibilidade e reprodutibilidade aos
resultados biológicos.
and of the apparent viscosity of blood
according to the internal diameter of the
perfused vascular section, it is concluded
that it is neither possible nor viable to
obtain in vivo values of blood viscosity that
represent the situation in each of the
vascular sections.
Indeed, it is not yet methodologically
possible to obtain representative values for
each of these sectors simultaneously and in
a way for them to be integrated within a
final average value. In the second place,
those values taken in vivo at a given moment do not reflect the influence of the
continuous variability of body functions,
depending on the multi-factoral influences
existing at each moment. Consequently,
determination of blood viscosity in each
individual still depends on samples taken
in vessels and under standardised conditions tried out ex vivo with the presupposition that the values obtained indicate a
determined behaviour.
When Poiseuille began his studies on the
flow and viscosity of fluids in glass tubes,
he was only able to compare these values
with water in identical experimental circumstances. The first equipment for measuring
blood viscosity with some reproducibility
was created about eighty years later by
Hatschek. Following the studies in blood
viscosity in capillary tubes carried out by
Fåhraeus and Lindqvist (1931), F. Höppler
developed (1933) viscometry by determining
the “time of fall” of a specific ball through
a glass cylinder full of liquid being observed (Haake Ball Viscosimeter). A year
later J.B. Brundage presented the first
rotating viscosimeter for determinations in
samples of blood and plasma.
Since then the most widely used viscosimeters have been distributed over two types
of models; some are based on the tubular
systems (Coulter Harkness Viscosimeter)
while others are of the rotating type (WellsBrookfield Rotative Viscosimeter). In both
cases different variants have been made
available based on two different processes:
in the first one the value of the flow resulting from the application of a determined
CONCLUSÕES
Cerca de seis mil anos depois das primeiras
especulações dos nossos antepassados da
mais remota civilização conhecida, o esclarecimento mais concreto sobre as características próprias do sangue começou a
tomar forma há pouco mais de cento e
cinquenta anos, depois de o circuito vascular ter sido clarificado há trezentos e
cinquenta anos.
O que hoje se conhece sobre a viscosidade
sanguínea permite confirmar a sua importância clínica como um dos parâmetros
potencialmente mais influentes na resistência periférica da circulação. Todavia,
como em tudo o resto, e tendo por fundo o
progresso dos conhecimentos, as verdades
actuais deverão ser entendidas como etapas
somente provisórias.
spectrum of tension is measured (the
method of controlled shear stress), while
the second assesses the tension required for
the obstruction of a determined constant
value of flow (the method of controlled
shear rate). As a whole, the conditions for
determination take place under standard
conditions: constant laminar flow, constant
pre-fixed temperature and other important
technical details that guarantee the
sensitivity and reproducibility of the
biological results.
CONCLUSIONS
About six million years after the first
speculations by our ancestors in the most
remote civilisation known, more concrete
clarification on the characteristics of blood
started to take place a little over a hundred
and fifty years ago, after the vascular
circuit had been understood three hundred
and fifty years ago.
What is known today about blood
viscosity allows one to confirm its clinical
importance as one of the potentially most
influential parameters in the peripheral
resistance of circulation. However, as in
everything else, and taking into account
progress in knowledge, today’s truths should
be understood as merely provisional stages.
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197

john de deslocação Coulter

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