La robotica morbida e rivoluzionaria potrebbe ridefinire la tecnologia del cuore artificiale

La robotica morbida e rivoluzionaria potrebbe ridefinire la tecnologia del cuore artificiale

Un rivoluzionario cuore robotico morbido potrebbe trasformare il trattamento dell’insufficienza cardiaca allo stadio terminale e avvicinarci più che mai a organi artificiali biocompatibili e pienamente funzionanti.

Studio: un cuore ibrido artificiale morbido. Credito fotografico: Africa Studio/Shutterstock.com

I ricercatori hanno sviluppato un cuore ibrido artificiale totale mediante robotica morbida che può aprire nuovi orizzonti nella medicina dell’insufficienza cardiaca e dei trapianti. L'articolo contenente la prima prova di concetto di questa nuova scoperta è pubblicato sulla rivistaComunicazione della natura.

sfondo

L’insufficienza cardiaca allo stadio terminale è associata ad un alto tasso di mortalità. La malattia è curabile attraverso il trapianto di cuore; Tuttavia, l’indisponibilità dei cuori dei donatori è lo svantaggio principale. Questa limitazione ha portato allo sviluppo di cuori artificiali totali e di dispositivi di assistenza ventricolare sinistra.

Questi dispositivi artificiali hanno una scarsa biocompatibilità perché i materiali utilizzati per progettarli non derivano dal corpo del paziente. Inoltre, questi dispositivi non funzionano fisicamente per far circolare il sangue in tutto il corpo. Questi fattori possono indurre la formazione di coaguli di sangue, che successivamente possono portare a complicazioni legate al flusso sanguigno.

I dispositivi di propulsione percutanea, necessari per alimentare e collegare i dispositivi cardiaci attualmente disponibili a una fonte esterna, presentano un alto rischio di infezione e influiscono in modo significativo sulla qualità della vita del paziente. Queste complicazioni attualmente limitano l’uso clinico del totale degli artisti attualmente disponibili.

Nel presente studio, i ricercatori hanno sviluppato un artista totale ibrido in cui la potenza della pompa proviene dalla robotica morbida per far avanzare fisiologicamente il sangue. Hanno chiamato il dispositivo un “cuore ibrido”.

Cuore ibrido: struttura e principio di funzionamento

I ricercatori hanno progettato questa nuova generazione di artisti totali con l'idea che il dispositivo dovesse imitare la struttura e la funzione del cuore umano. Il cuore umano ha due camere, i ventricoli sinistro e destro, separati da un setto (una partizione). La contrazione sincrona dei ventricoli e del setto determina l'espulsione del sangue dai ventricoli circolanti.

Come il cuore umano, il cuore ibrido contiene due camere artificiali separate da un muscolo pneumatico morbido (setto). I ventricoli e il setto sono realizzati in nylon rivestito di poliuretano termoplastico. In particolare, il design include anche più fili non dettagliabili disposti in un circuito chiuso che svolgono un ruolo chiave nel imitare le contrazioni coordinate del cuore distribuendo le forze su entrambi i ventricoli.

I rivestimenti supramolecolari vengono applicati al materiale di nylon rivestito in poliuretano termoplastico per migliorare la biocompatibilità.

La pressione dell'aria positiva o negativa viene utilizzata per gonfiare e sgonfiare il setto. Quando il setto si gonfia durante la sistole, il suo diametro interno aumenta, consentendo di avvolgere più filo attorno ad esso. Questo comprime i ventricoli per espellere il sangue come un cuore naturale. Quando il setto si svuota durante la diastole, i ventricoli si riempiono passivamente.

La lunghezza e il numero specifici di fili attorno a ciascun ventricolo possono essere regolati per modificare la gittata cardiaca di ciascuna camera, adattando così i requisiti a quelli di diverse condizioni fisiologiche o malattie. Questa possibilità di regolazione potrebbe essere importante per adattare il dispositivo alle esigenze individuali del paziente, ad esempio nell'ipertensione polmonare.

Nelle prime prove, il sistema robotico ha dimostrato la capacità di generare curve di pressione simili a quelle dei battiti cardiaci naturali, conferendo al dispositivo un ritmo di pompaggio più privo di vita.

Un meccanismo di attuazione robotico fornisce il profilo di pressione richiesto per il setto del cuore ibrido. Il meccanismo di attuazione traduce i segnali di controllo in azioni fisiche all'interno di un sistema. Questo morbido meccanismo di combattimento robotico non si basa sull'elettronica per generare il battito cardiaco. Converte invece in modo autonomo e passivo il flusso costante di una pompa d’aria continua in impulsi di pressione che generano il battito cardiaco per il cuore ibrido.

Tuttavia, il sistema complessivo comprende anche componenti elettronici per l'alimentazione e il controllo, in particolare nelle future versioni completamente impiantabili.

Validazione funzionale

Test di laboratorio sul cuore ibrido in condizioni fisiologiche hanno rivelato che il dispositivo imita la fisiologia di pompaggio del cuore umano e il suo ventricolo sinistro può pompare 5,7 litri di sangue al minuto (gittata cardiaca) a una frequenza cardiaca di 60 battiti al minuto. Poiché la gittata cardiaca del ventricolo sinistro dovrebbe essere superiore a quella del ventricolo destro, la gittata cardiaca del ventricolo destro del dispositivo è stata regolata a 5 litri al minuto regolando la lunghezza dei fili attorno al ventricolo destro.

Il cuore ibrido è stato ulteriormente testato sugli animali impiantando chirurgicamente il dispositivo nello spazio pericardico. Il dispositivo è stato responsabile di tutto il flusso sanguigno degli animali durante un periodo di prova di 50 minuti.

Il test sugli animali è stato un esperimento a breve termine, non un impianto a lungo termine, e ha fornito una prova iniziale del funzionamento del dispositivoIn vivo.

Tuttavia, nel test acuto sugli animali, la gittata cardiaca era inferiore ain vitro(Circa 2,3 litri al minuto a 65 bpm), che riflette la fase iniziale del dispositivo, la natura proof-of-concept e le limitazioni tecniche previste.

I risultati hanno mostrato che il materiale in nylon rivestito in poliuretano termoplastico utilizzato nel cuore ibrido non è tossico, ha una migliore biocompatibilità e ha forti proprietà antitrombogeniche grazie ai rivestimenti supramolecolari.

animale ein vitroI test hanno mostrato una significativa riduzione dell’adesione piastrinica e della trombosi rispetto ai materiali non rivestiti, supportando il potenziale di compatibilità del sangue a lungo termine.

Negli esperimenti di laboratorio e sugli animali è stato utilizzato un sistema pneumatico aperto per azionare i cuori ibridi. Tuttavia, è stato sviluppato un sistema di guida fluidica chiuso e completamente impiantabile per un futuro uso clinico. Questo sistema consisteva in una pompa d'aria a flusso continuo impiantata, un serbatoio d'aria e un sistema di attuazione robotica morbida collegato al setto in un circuito di circolazione chiuso.

Il sistema fluidico chiuso è stato integrato in un sistema di trasferimento di energia transcutanea (TET) per fornire energia elettrica alla pompa in modalità wireless. La bobina Tet esterna posizionata sulla pelle del paziente ha superato la forza della bobina Tet interna impiantata per via sottocutanea mentre la pelle è rimasta intatta.

Questo approccio può potenzialmente ridurre il rischio di infezione e migliorare la qualità della vita dei pazienti consentendo loro di disconnettersi temporaneamente da una fonte di energia e impegnarsi in attività come la doccia o il nuoto.

I test di questo sistema fluidico chiuso hanno rivelato che quando la pompa a flusso continuo veniva alimentata, il cuore ibrido iniziava automaticamente a battere a una frequenza cardiaca di 35 bpm e produceva una gittata cardiaca relativamente bassa rispetto a quella prodotta dal sistema di guida convenzionale.

Questa limitazione è stata attribuita negli esperimenti iniziali alla potenza disponibile del sistema TET, che non rappresentava un ostacolo fondamentale per la tecnologia. La ricerca ha scoperto che l’aumento dell’energia in ingresso dovrebbe migliorare la gittata cardiaca e i ricercatori stanno attualmente lavorando su questo.

Inoltre, il cuore ibrido ha dimostrato proprietà fisiologiche adattative. La sensibilità al precarico e al postcarico significa che il cuore ibrido può regolare la propria emissione in risposta alla pressione sanguigna e ai volumi come un cuore naturale. Ciò viene ottenuto passivamente, imitando il meccanismo di Frank-Starling, in base al quale il cuore aumenta la produzione in risposta a un maggiore riempimento, senza la necessità di sensori o dispositivi elettronici complessi.

Il design consente anche la configurazione individuale del dispositivo, ad es. B. Modifica della lunghezza e della posizione del filo in base alle esigenze del singolo paziente.

Sebbene la prova di concetto sia promettente, il lavoro è ancora agli inizi. Il dispositivo è stato costruito su materiali di prototipazione piuttosto che su componenti di grado medico e saranno necessari ulteriori studi a lungo termine sugli animali per convalidare pienamente la sicurezza, la durata e le prestazioni della tecnologia.

Prima dell’uso clinico, tutti i componenti chiave, compresa la versione completamente impiantabile e i rivestimenti di ingegneria tissutale, richiedono ulteriori test approfonditi, compresi studi a lungo termine sugli animali.

Senso

Lo studio fornisce la prima prova che le tecniche robotiche morbide possono sviluppare con successo un cuore artificiale biocompatibile in grado di fornire un’adeguata gittata cardiaca in condizioni fisiologiche.

Il cuore ibrido sviluppato nello studio può superare le carenze dei cuori artificiali totali attualmente disponibili e potenzialmente fornire sia superfici antitrombogeniche che supporto per l’integrazione dei tessuti.

Ad esempio, in futuro, la tecnologia di rivestimento potrebbe essere ulteriormente sviluppata per includere molecole che incoraggiano attivamente le cellule del corpo a colonizzare il dispositivo e formare un rivestimento interno funzionale. Questo duplice approccio volto a ridurre la coagulazione del sangue e a sostenere l’integrazione dei tessuti del corpo potrebbe ridurre la necessità di una terapia anticoagulante permanente.

Sebbene il cuore ibrido non sia ancora pronto per l’uso clinico e richieda ulteriori test e ottimizzazioni approfonditi, mostra come la robotica morbida e l’ingegneria biomimetica possano fornire cuori artificiali più sicuri, funzionali e più adattabili per i soggetti affetti da insufficienza cardiaca in stadio avanzato.

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Fonti: