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No hay dos corazones que latan igual. El tamaño y la forma del corazón pueden variar de persona a persona. Estas diferencias pueden ser particularmente pronunciadas para las personas que viven con una enfermedad cardíaca, ya que su corazón y sus vasos principales trabajan más para superar cualquier función comprometida.
Los ingenieros del MIT esperan ayudar a los médicos a adaptar los tratamientos a la forma y función específicas del corazón de los pacientes, con un corazón robótico personalizado. El equipo desarrolló un procedimiento para imprimir en 3D una réplica blanda y flexible del corazón de un paciente. Luego pueden controlar la acción de la réplica para imitar la capacidad de bombeo de sangre de ese paciente.
El procedimiento consiste primero en convertir imágenes médicas del corazón de un paciente en un modelo informático tridimensional, que los investigadores pueden imprimir en 3D utilizando tinta a base de polímeros. El resultado es una cubierta suave y flexible con la forma exacta del corazón del paciente. El equipo también puede usar este enfoque para imprimir la aorta de un paciente, la arteria principal que transporta la sangre desde el corazón al resto del cuerpo.
Para imitar la acción de bombeo del corazón, el equipo fabricó mangas similares a los manguitos de presión arterial que envuelven un corazón y una aorta impresos. La parte inferior de cada manga se asemeja a un plástico de burbujas con un patrón preciso. Cuando la manga está conectada a un sistema neumático, los investigadores pueden ajustar el aire que sale para inflar rítmicamente las burbujas de la manga y contraer el corazón, imitando su acción de bombeo.
Los investigadores también pueden inflar una manga separada que rodea una aorta impresa para contraer el vaso. Esta constricción, dicen, se puede ajustar para imitar la estenosis aórtica, una condición en la que la válvula aórtica se estrecha, lo que hace que el corazón trabaje más para impulsar la sangre a través del cuerpo.
Los médicos suelen tratar la estenosis aórtica implantando quirúrgicamente una válvula sintética diseñada para ensanchar la válvula natural de la aorta. En el futuro, el equipo dice que los médicos podrían usar potencialmente su nuevo procedimiento para imprimir primero el corazón y la aorta de un paciente, luego implantar una variedad de válvulas en el modelo impreso para ver qué diseño resulta en la mejor función y adecuado para este paciente en particular. Los laboratorios de investigación y la industria de dispositivos médicos también podrían usar las réplicas de corazones como plataformas realistas para probar terapias para varios tipos de enfermedades cardíacas.
“Todos los corazones son diferentes”, dice Luca Rosalía, estudiante de posgrado en el programa MIT-Harvard en ciencia y tecnología de la salud. “Hay variaciones masivas, especialmente cuando los pacientes están enfermos. La ventaja de nuestro sistema es que podemos recrear no solo la forma del corazón de un paciente, sino también su función tanto en la fisiología como en la enfermedad.
Rosalía y sus colegas informan sobre sus hallazgos en un estudio publicado hoy en Robótica científica. Los coautores del MIT incluyen a Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang y Ellen Roche, así como a Benjamin Bonner del Hospital General de Massachusetts, James Weaver de la Universidad de Harvard y Christopher Nguyen, Rishi Puri y Samir Kapadia en el Cleveland. Clínica en Ohio.
Imprimir y bombear
En enero de 2020, los miembros del equipo, dirigido por la profesora de ingeniería mecánica Ellen Roche, desarrollaron un «corazón híbrido biorobótico», una réplica general de un corazón, hecha de músculo sintético que contiene pequeños cilindros inflables, que podían controlar para imitar las contracciones. de un corazón que late de verdad.
Poco después de estos esfuerzos, la pandemia de Covid-19 obligó al laboratorio de Roche, junto con la mayoría de los demás en el campus, a cerrar temporalmente. Sin inmutarse, Rosalía continuó refinando el emocionante diseño en casa.
“Recreé todo el sistema en mi dormitorio en marzo”, recuerda Rosalía.
Meses después, el laboratorio volvió a abrir y el equipo continuó donde lo había dejado, trabajando para mejorar el control de la manga de bombeo del corazón, que probaron en modelos animales y de computadora. Luego ampliaron su enfoque para desarrollar fundas y réplicas de corazón específicas para cada paciente. Para ello recurrieron a la impresión 3D.
“Hay mucho interés en el campo de la medicina en el uso de la tecnología de impresión 3D para recrear con precisión la anatomía del paciente para su uso en la planificación y el entrenamiento preoperatorios”, señala Wang, quien es residente de cirugía vascular en el Centro Médico Beth Israel Deaconess en Boston.
Un diseño inclusivo
En el nuevo estudio, el equipo aprovechó la impresión 3D para producir réplicas personalizadas de los corazones de pacientes reales. Usaron una tinta a base de polímeros que, cuando se imprime y cura, puede comprimirse y estirarse, como un corazón real que late.
Como material de origen, los investigadores utilizaron exploraciones médicas de 15 pacientes diagnosticados con estenosis aórtica. El equipo convirtió las imágenes de cada paciente en un modelo informático tridimensional del ventrículo izquierdo del paciente (la cámara de bombeo principal del corazón) y la aorta. Introducieron este modelo en una impresora 3D para generar una capa flexible y anatómicamente precisa del ventrículo y el vaso.
El equipo también fabricó fundas para envolver los formularios impresos. Adaptaron los bolsillos de cada manga para que cuando se envolvieran alrededor de sus respectivas formas y se conectaran a un pequeño sistema de bombeo de aire, las mangas se pudieran ajustar por separado para contraer y apretar de manera realista los modelos impresos. .
Los investigadores demostraron que para cada modelo de corazón, podían recrear con precisión las mismas presiones y frecuencias de bombeo cardíaco que se habían medido previamente en cada paciente respectivo.
“Poder igualar los flujos y las presiones de los pacientes fue muy alentador”, dice Roche. “No solo imprimimos la anatomía del corazón, sino que también reproducimos su mecánica y fisiología. Esta es la parte que nos emociona.
Yendo un paso más allá, el equipo pretendía replicar algunos de los procedimientos a los que se habían sometido un puñado de pacientes, para ver si el corazón y el vaso impresos respondían de la misma manera. Algunos pacientes habían recibido implantes de válvulas para ensanchar la aorta. Roche y sus colegas implantaron válvulas similares en las aortas impresas en el modelo de cada paciente. Cuando activaron el corazón impreso para bombear, observaron que la válvula implantada producía tasas de flujo mejoradas similares a las de los pacientes reales después de sus implantes quirúrgicos.
Finalmente, el equipo usó un corazón impreso accionado para comparar implantes de diferentes tamaños, para ver cuál ofrecería el mejor ajuste y velocidad de flujo, algo que imaginan que los médicos podrían hacer por sus pacientes en el futuro. .
“Los pacientes obtendrían sus imágenes, lo que hacen de todos modos, y las usaríamos para hacer este sistema, idealmente en un día”, dice el coautor Nguyen. «Una vez que está en funcionamiento, los médicos pueden probar diferentes tipos y tamaños de válvulas y ver cuál funciona mejor, y luego usarla para implantarla».
En última instancia, Roche dice que las réplicas específicas de pacientes podrían ayudar a desarrollar e identificar tratamientos ideales para personas con geometrías cardíacas únicas y desafiantes.
“Diseñar de manera inclusiva para una amplia gama de tomías y probar intervenciones dentro de ese rango puede aumentar la población objetivo direccionable para procedimientos mínimamente invasivos”, dice Roche.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud y el Instituto Nacional de Sangre Pulmonar y Corazón.
