La innovadora robótica blanda podría redefinir la tecnología del corazón artificial

La innovadora robótica blanda podría redefinir la tecnología del corazón artificial

Un innovador corazón robótico blando podría transformar el tratamiento de la insuficiencia cardíaca terminal y acercarnos más que nunca a órganos artificiales biocompatibles y en pleno funcionamiento.

Estudio: Un corazón híbrido artificial blando. Crédito de la foto: Africa Studio/Shutterstock.com

Los investigadores desarrollaron un corazón híbrido totalmente artificial mediante robótica blanda que puede abrir nuevos horizontes en la insuficiencia cardíaca y la medicina de trasplantes. Se publica en la revista el artículo que contiene la primera prueba de concepto de este novedoso descubrimiento.Comunicación de la naturaleza.

fondo

La insuficiencia cardíaca terminal se asocia con una alta tasa de mortalidad. La enfermedad se puede tratar mediante un trasplante de corazón; Sin embargo, la principal desventaja es la falta de disponibilidad de corazones de donantes. Esta limitación ha llevado al desarrollo de corazones artificiales totales y dispositivos de asistencia ventricular izquierda.

Estos dispositivos artificiales tienen una biocompatibilidad deficiente porque los materiales utilizados para diseñarlos no derivan del cuerpo del paciente. Además, estos dispositivos no funcionan físicamente para hacer circular la sangre por todo el cuerpo. Estos factores pueden inducir la formación de coágulos sanguíneos, lo que posteriormente puede provocar complicaciones relacionadas con el flujo sanguíneo.

Los dispositivos de propulsión percutánea, que son necesarios para alimentar y conectar los dispositivos cardíacos actualmente disponibles a una fuente externa, tienen un alto riesgo de infección y afectan significativamente la calidad de vida del paciente. Estas complicaciones limitan actualmente el uso clínico del total de artistas disponibles actualmente.

En el estudio actual, los investigadores desarrollaron un artista total híbrido en el que la potencia de la bomba proviene de robótica suave para hacer avanzar fisiológicamente la sangre. Llamaron al dispositivo un "corazón híbrido".

Corazón híbrido: diseño y principio de funcionamiento

Los investigadores diseñaron esta nueva generación de artistas totales con la idea de que el dispositivo debería imitar la estructura y función del corazón humano. El corazón humano tiene dos cámaras, los ventrículos izquierdo y derecho, que están separados por un tabique (una partición). La contracción sincrónica de los ventrículos y el tabique da como resultado la expulsión de sangre de los ventrículos circulantes.

Al igual que el corazón humano, el corazón híbrido contiene dos cámaras artificiales separadas por un músculo neumático blando (tabique). Los ventrículos y el tabique están hechos de nailon recubierto de poliuretano termoplástico. En particular, el diseño también incluye múltiples cables no detallables dispuestos en un circuito cerrado que desempeñan un papel clave al imitar las contracciones coordinadas del corazón al distribuir las fuerzas entre ambos ventrículos.

Se aplican recubrimientos supramoleculares al material de nailon recubierto de poliuretano termoplástico para mejorar la biocompatibilidad.

Se utiliza presión de aire positiva o negativa para inflar y desinflar el tabique. A medida que el tabique se infla durante la sístole, su diámetro interno aumenta, lo que permite enrollar más alambre a su alrededor. Esto aprieta los ventrículos para expulsar sangre como un corazón natural. A medida que el tabique se vacía durante la diástole, los ventrículos se rellenan pasivamente.

La longitud específica y el número de cables alrededor de cada ventrículo se pueden ajustar para cambiar el gasto cardíaco de cada cámara, adaptando así los requisitos a los requisitos de diferentes condiciones fisiológicas o enfermedades. Esta capacidad de ajuste podría ser importante para adaptar el dispositivo a los requisitos individuales del paciente, por ejemplo en hipertensión pulmonar.

En las primeras pruebas, el sistema robótico blando demostró la capacidad de generar curvas de presión similares a las de los latidos naturales del corazón, dando al dispositivo un ritmo de bombeo más apagado.

Un mecanismo de actuación robótico proporciona el perfil de presión requerido para el tabique del corazón híbrido. El mecanismo de actuación traduce señales de control en acciones físicas dentro de un sistema. Este suave mecanismo de combate robótico no depende de la electrónica para generar un latido. En cambio, convierte de forma autónoma y pasiva el flujo constante de una bomba de aire continua en pulsos de presión que generan los latidos del corazón híbrido.

Sin embargo, el sistema global también incluye componentes electrónicos para la potencia y el control, especialmente en futuras versiones totalmente implantables.

Validación funcional

Las pruebas de laboratorio del corazón híbrido en condiciones fisiológicas revelaron que el dispositivo imita la fisiología de bombeo del corazón humano y su ventrículo izquierdo puede bombear 5,7 litros de sangre por minuto (gasto cardíaco) a una frecuencia cardíaca de 60 latidos por minuto. Debido a que el gasto cardíaco del ventrículo izquierdo debe ser mayor que el del ventrículo derecho, el gasto cardíaco del ventrículo derecho del dispositivo se ajustó a 5 litros por minuto ajustando la longitud de los cables alrededor del ventrículo derecho.

El corazón híbrido se probó en animales mediante la implantación quirúrgica del dispositivo en el espacio pericárdico. El dispositivo fue responsable de todo el flujo sanguíneo de los animales durante un período de prueba de 50 minutos.

La prueba con animales fue un experimento a corto plazo, no un implante a largo plazo, y proporcionó una prueba inicial de concepto para la función del dispositivo.en vivo.

Sin embargo, en la prueba aguda en animales, el gasto cardíaco fue menor que elin vitro(Aproximadamente 2,3 litros por minuto a 65 bpm), lo que refleja la etapa inicial del dispositivo, la naturaleza de la prueba de concepto y las limitaciones técnicas esperadas.

Los resultados mostraron que el material de nailon recubierto de poliuretano termoplástico utilizado en el corazón híbrido no es tóxico, tiene una biocompatibilidad mejorada y tiene fuertes propiedades antitrombogénicas debido a sus recubrimientos supramoleculares.

animales yin vitroLas pruebas mostraron una reducción significativa en la adhesión plaquetaria y la trombosis en comparación con los materiales no recubiertos, lo que respalda el potencial de compatibilidad sanguínea a largo plazo.

En experimentos de laboratorio y con animales, se utilizó un sistema neumático abierto para accionar los corazones híbridos. Sin embargo, se ha desarrollado un sistema de conducción de fluidos cerrado y totalmente implantable para uso clínico futuro. Este sistema constaba de una bomba de aire de flujo continuo implantada, un depósito de aire y un sistema de actuación robótico suave conectado al tabique en un circuito de circulación cerrado.

El sistema fluídico cerrado se integró en un sistema de transferencia de energía transcutánea (TET) para proporcionar energía eléctrica de forma inalámbrica a la bomba. La bobina de Tet externa colocada sobre la piel del paciente superó la fuerza de la bobina de Tet interna implantada por vía subcutánea mientras la piel permaneció intacta.

Este enfoque puede reducir potencialmente el riesgo de infección y mejorar la calidad de vida de los pacientes al permitirles desconectarse temporalmente de una fuente de energía y realizar actividades como ducharse o nadar.

Las pruebas de este sistema de fluidos cerrado revelaron que cuando se activaba la bomba de flujo continuo, el corazón híbrido comenzaba a latir automáticamente a una frecuencia cardíaca de 35 lpm y producía un gasto cardíaco relativamente bajo en comparación con el producido por el sistema de conducción convencional.

Esta limitación se atribuyó en los experimentos iniciales a la potencia disponible del sistema TET, que no era una barrera fundamental para la tecnología. La investigación encontró que aumentar la energía de entrada debería mejorar el gasto cardíaco, y los investigadores están trabajando actualmente en esto.

Además, el corazón híbrido demostró propiedades fisiológicas adaptativas. La sensibilidad de precarga y poscarga significa que el corazón híbrido puede ajustar su producción en respuesta a la presión arterial y los volúmenes como un corazón natural. Esto se logra de forma pasiva, imitando el mecanismo de Frank-Starling, mediante el cual el corazón aumenta la producción en respuesta al aumento del llenado, sin necesidad de sensores o componentes electrónicos complejos.

El diseño también permite una configuración individual del dispositivo, p. B. Cambiar la longitud y la posición del cable según los requisitos individuales del paciente.

Si bien la prueba de concepto es prometedora, el trabajo aún está en sus inicios. El dispositivo se construyó con materiales prototipo en lugar de componentes de grado médico, y se necesitarán más estudios a largo plazo en animales para validar completamente la seguridad, durabilidad y rendimiento de la tecnología.

Antes del uso clínico, todos los componentes clave, incluida la versión totalmente implantable y los recubrimientos de ingeniería de tejidos, requieren pruebas adicionales exhaustivas, incluidos estudios a largo plazo en animales.

Significado

El estudio proporciona la primera evidencia de que las técnicas robóticas blandas pueden desarrollar con éxito un corazón artificial biocompatible que pueda ofrecer un gasto cardíaco adecuado en condiciones fisiológicas.

El corazón híbrido desarrollado en el estudio puede superar las deficiencias de los corazones artificiales totales actualmente disponibles y potencialmente proporcionar superficies antitrombogénicas y soporte para la integración de tejidos.

Por ejemplo, en el futuro, la tecnología de recubrimiento podría desarrollarse aún más para incluir moléculas que estimulen activamente a las células del cuerpo a colonizar el dispositivo y formar un revestimiento interno funcional. Este enfoque dual para reducir la coagulación sanguínea y apoyar la integración de los tejidos del cuerpo podría reducir la necesidad de una terapia anticoagulante de por vida.

Aunque el corazón híbrido aún no está listo para uso clínico y requiere pruebas y optimización más exhaustivas, muestra cómo la robótica suave y la ingeniería biomimética pueden proporcionar corazones artificiales más seguros, funcionales y adaptables para quienes padecen insuficiencia cardíaca en etapa avanzada.

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Fuentes: