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Las válvulas protésicas están diseñadas para imitar una válvula cardíaca realmente saludable al ayudar a que la sangre fluya a través del cuerpo. Sin embargo, muchos de ellos tienen problemas como fugas alrededor de la válvula, y los ingenieros que trabajan para mejorar estos diseños tienen que probarlos repetidamente, primero en simples simuladores de mesa y luego en animales, antes de llegar a pruebas en humanos, un proceso arduo y costoso.
Hoy, los ingenieros del MIT y de otros lugares han desarrollado un "corazón" biónico que ofrece un modelo más realista para probar válvulas artificiales y otros dispositivos cardíacos.
El dispositivo es un corazón biológico real cuyo tejido muscular duro ha sido reemplazado por una matriz robótica suave de músculos artificiales del corazón, que se asemeja a una envoltura de burbujas. La orientación de los músculos artificiales imita el patrón de las fibras musculares naturales del corazón, de modo que cuando los investigadores inflan las burbujas de forma remota, actúan juntas para apretar y torcer el corazón interno, de la misma manera que un verdadero corazón entero late y bombea sangre.
Con este nuevo diseño, que llaman un "corazón híbrido biorobótico", los investigadores imaginan que los diseñadores e ingenieros de dispositivos pueden iterar y refinar los diseños más rápido al realizar pruebas en el corazón biohíbrido, lo que reduce significativamente costo de desarrollar dispositivos cardíacos.
"Las pruebas regulatorias de dispositivos cardíacos requieren muchas pruebas de fatiga y pruebas en animales", dijo Ellen Roche, profesora asistente de ingeniería mecánica en el MIT. "[El nuevo dispositivo] podría representar de manera realista lo que está sucediendo en un corazón real, para reducir la cantidad de pruebas en animales o repetir el diseño más rápido".
Roche y sus colegas publicaron sus resultados hoy en la revista. Robótica científica. Sus coautores son el autor principal y estudiante graduado del MIT, Clara Park, así como Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas y Xuanhe Zhao en el MIT, así como colaboradores de Nanyang Technology. Universidad, Royal College of Surgeons en Dublín, Boston Children's Hospital, Harvard Medical School y Massachusetts General Hospital.
La estructura del corazón híbrido biorobótico bajo resonancia magnética. Crédito: Christopher T. Nguyen
"Mecánica del corazón"
Antes de unirse al MIT, Roche trabajó brevemente en la industria biomédica, ayudando a probar dispositivos cardíacos en modelos de corazón artificial en el laboratorio.
"En ese momento, no pensé que estas configuraciones de mesa fueran representativas tanto de la anatomía como de la biomecánica fisiológica del corazón", recuerda Roche. "Había una necesidad insatisfecha de pruebas de dispositivos".
Como parte de una investigación separada como parte de su trabajo de doctorado en la Universidad de Harvard, desarrolló una funda flexible, robótica e implantable, diseñada para envolver todo un corazón vivo, para ayudarlo a bombear la sangre de pacientes con insuficiencia cardíaca.
En el MIT, ella y Park se preguntaron si podrían combinar las dos vías de investigación para desarrollar un corazón híbrido: un corazón compuesto en parte de tejido cardíaco explantado químicamente preservado y en parte de actuadores artificiales flexibles que ayudan El corazón para bombear sangre. Tal modelo, propusieron, debería ser un entorno más realista y sostenible en el que probar dispositivos cardíacos, en comparación con modelos que son completamente artificiales pero que no capturan la compleja anatomía del corazón, o que son hecho de un corazón real explantado, que requiere condiciones controladas para mantener vivo el tejido.
El equipo consideró brevemente envolver todo un corazón explantado en una manga robótica suave, similar al trabajo anterior de Roche, pero se dio cuenta de que el tejido muscular externo del corazón, el miocardio, se endureció rápidamente cuando Fue retirado del cuerpo. Cualquier contracción robótica por la manga no se traduciría lo suficiente en el corazón interno.
En cambio, el equipo buscó formas de diseñar una matriz robótica suave para reemplazar el tejido muscular natural del corazón, tanto material como funcionalmente. Decidieron probar su idea primero en el ventrículo izquierdo del corazón, una de las cuatro cámaras del corazón, que bombea sangre al resto del cuerpo, mientras que el ventrículo derecho usa menos por la fuerza para bombear sangre a los pulmones.
"El ventrículo izquierdo es el más difícil de recrear debido a sus presiones operativas más altas, y nos gusta comenzar con los desafíos difíciles", dice Roche.
El corazón desplegado
El corazón normalmente bombea sangre apretándola y girándola, una combinación compleja de movimientos que resulta de la alineación de las fibras musculares a lo largo del miocardio externo que cubre cada uno de los ventrículos del corazón. El equipo planea hacer una matriz inflable con forma de burbuja de músculos artificiales alineados con las orientaciones del músculo cardíaco natural. Pero copiar estos modelos al estudiar la geometría tridimensional de un ventrículo ha demostrado ser extremadamente difícil.
Finalmente descubrieron la teoría de la banda miocárdica ventricular helicoidal, la idea de que el músculo cardíaco es esencialmente una banda helicoidal grande que envuelve cada uno de los ventrículos cardíacos. Esta teoría sigue siendo objeto de debate por parte de algunos investigadores, pero Roche y sus colegas la inspiraron para su diseño. En lugar de intentar copiar la orientación de las fibras musculares del ventrículo izquierdo en una perspectiva 3D, el equipo decidió eliminar el tejido muscular externo del ventrículo y desenrollarlo para formar una tira larga y plana – una geometría que debería ser mucho más fácil de recrear. En este caso, utilizaron el tejido cardíaco de un corazón de cerdo explantado.
En colaboración con el coautor principal Chris Nguyen de MGH, los investigadores utilizaron imágenes de tensor de difusión, una técnica avanzada que generalmente rastrea la forma en que el agua fluye a través de la materia blanco en el cerebro, para mapear las orientaciones de las fibras microscópicas del ventrículo izquierdo desplegado, en una banda muscular bidimensional. Luego fabricaron una matriz de fibras musculares artificiales hechas de delgados tubos de aire, cada uno conectado a una serie de bolsas inflables, o burbujas, cuya orientación modelaron según las fibras musculares fotografiadas.
El movimiento del corazón híbrido biorobótico imita el movimiento de bombeo del corazón bajo ecocardiografía. Crédito: Mossab Saeed
La matriz flexible consta de dos capas de silicona, con una capa soluble en agua entre ellas para evitar que las capas se peguen, así como dos capas de papel cortado con láser, lo que garantiza que las burbujas se hinchen en una orientación específica.
Los investigadores también han desarrollado un nuevo tipo de bioadhesivo para pegar el plástico de burbujas en el tejido intracardíaco real del ventrículo. Aunque existen adhesivos para unir tejidos biológicos entre sí y para materiales como la silicona entre sí, el equipo se dio cuenta de que pocos adhesivos flexibles hacen un trabajo adecuado. para unir tejidos biológicos con materiales sintéticos, en particular silicona.
Por lo tanto, Roche colaboró con Zhao, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, especializado en el desarrollo de adhesivos a base de hidrogel. El nuevo adhesivo, llamado TissueSil, se fabricó funcionalizando silicona en un proceso de reticulación química, para unirse a los componentes del tejido cardíaco. El resultado fue un líquido viscoso que los investigadores aplicaron a la matriz robótica flexible. También aplicaron el pegamento a un nuevo corazón de cerdo explantado del que se había extraído el ventrículo izquierdo pero se preservaron sus estructuras endocárdicas. Cuando envolvieron la matriz muscular artificial alrededor de este tejido, los dos se unieron estrechamente.
Finalmente, los investigadores colocaron todo el corazón híbrido en un molde que habían moldeado previamente del corazón completo original y llenaron el molde con silicona para encerrar el corazón híbrido en una cubierta uniforme, un paso que produce una forma similar a un corazón real y se ha asegurado de que la película de burbujas robótica se adapte perfectamente al ventrículo real.
"De esa manera no se pierde la transmisión del movimiento del músculo sintético al tejido biológico", dice Roche.
Cuando los investigadores bombearon aire en la envoltura de burbujas a frecuencias que se asemejan a un corazón que late de forma natural e imaginaron la respuesta del corazón biónico, se contrajo de manera similar a la forma en que un corazón real se mueve para bombear sangre a través del cuerpo.
En última instancia, los investigadores esperan utilizar el corazón biónico como un entorno realista para ayudar a los diseñadores a probar dispositivos cardíacos, como las válvulas cardíacas protésicas.
"Imagine que a un paciente antes de que se le implante un dispositivo cardíaco se le pueda escanear el corazón, luego los médicos pueden ajustar el dispositivo para que funcione de manera óptima en el paciente mucho antes de la cirugía ", dice Nyugen. "Además, con una mayor ingeniería de tejidos, podríamos ver que el corazón híbrido biorobótico se utiliza como un corazón artificial, una solución potencial muy necesaria dada la epidemia mundial de insuficiencia cardíaca donde millones de personas están a merced de una lista competitiva de trasplantes de corazón ".
Esta investigación fue financiada en parte por la National Science Foundation.
