A robótica suave inovadora pode redefinir a tecnologia do coração artificial

A robótica suave inovadora pode redefinir a tecnologia do coração artificial

Um coração robótico macio e inovador poderia transformar o tratamento da insuficiência cardíaca em estágio terminal e nos aproximar mais do que nunca de órgãos artificiais biocompatíveis e totalmente funcionais.

Estudo: Um coração híbrido artificial macio. Crédito da foto: Africa Studio/Shutterstock.com

Os pesquisadores desenvolveram um coração híbrido totalmente artificial por meio de robótica suave que pode abrir novos horizontes na insuficiência cardíaca e na medicina de transplantes. O artigo contendo a primeira prova de conceito desta nova descoberta é publicado na revistaComunicação da natureza.

fundo

A insuficiência cardíaca em estágio terminal está associada a uma alta taxa de mortalidade. A doença é tratável através de transplante cardíaco; Contudo, a indisponibilidade de corações de doadores é a principal desvantagem. Esta limitação levou ao desenvolvimento de corações totalmente artificiais e dispositivos de assistência ventricular esquerda.

Esses dispositivos artificiais têm baixa biocompatibilidade porque os materiais usados ​​para projetá-los não são derivados do corpo do paciente. Além disso, esses dispositivos não funcionam fisicamente para circular o sangue por todo o corpo. Esses fatores podem induzir a formação de coágulos sanguíneos, o que pode posteriormente levar a complicações relacionadas ao fluxo sanguíneo.

Os dispositivos de propulsão percutânea, necessários para alimentar e conectar os dispositivos cardíacos atualmente disponíveis a uma fonte externa, apresentam um alto risco de infecção e impactam significativamente a qualidade de vida do paciente. Estas complicações limitam atualmente o uso clínico do total de artistas atualmente disponíveis.

No estudo atual, os pesquisadores desenvolveram um artista total híbrido em que a potência da bomba vem da robótica suave para avançar fisiologicamente o sangue. Eles chamaram o dispositivo de “coração híbrido”.

Coração híbrido – design e princípio de funcionamento

Os pesquisadores projetaram esta nova geração de artistas totais com a ideia de que o dispositivo deveria imitar a estrutura e a função do coração humano. O coração humano possui duas câmaras, os ventrículos esquerdo e direito, que são separadas por um septo (uma divisória). A contração síncrona dos ventrículos e do septo resulta na expulsão de sangue dos ventrículos circulantes.

Tal como o coração humano, o coração híbrido contém duas câmaras artificiais separadas por um músculo pneumático macio (septo). Os ventrículos e septo são feitos de náilon revestido com poliuretano termoplástico. Notavelmente, o projeto também inclui vários fios não detalháveis ​​dispostos em um circuito fechado que desempenham um papel fundamental na imitação das contrações coordenadas do coração, distribuindo forças em ambos os ventrículos.

Revestimentos supramoleculares são aplicados ao material de náilon termoplástico revestido com poliuretano para melhorar a biocompatibilidade.

A pressão de ar positiva ou negativa é usada para inflar e desinflar o septo. À medida que o septo infla durante a sístole, seu diâmetro interno aumenta, permitindo que mais fio seja enrolado em torno dele. Isso comprime os ventrículos para ejetar sangue como um coração natural. À medida que o septo se esvazia durante a diástole, os ventrículos se enchem passivamente.

O comprimento específico e o número de fios ao redor de cada ventrículo podem ser ajustados para alterar o débito cardíaco de cada câmara, adaptando assim os requisitos às exigências de diferentes condições fisiológicas ou doenças. Esta ajustabilidade pode ser importante para adaptar o dispositivo às necessidades individuais do paciente, por exemplo, na hipertensão pulmonar.

Nos primeiros testes, o sistema robótico suave demonstrou a capacidade de gerar curvas de pressão semelhantes às dos batimentos cardíacos naturais, dando ao dispositivo um ritmo de bombeamento mais sem vida.

Um mecanismo de atuação robótico fornece o perfil de pressão necessário para o septo do coração híbrido. O mecanismo de atuação traduz sinais de controle em ações físicas dentro de um sistema. Este mecanismo de combate robótico suave não depende da eletrônica para gerar batimentos cardíacos. Em vez disso, ele converte de forma autônoma e passiva o fluxo constante de uma bomba de ar contínua em pulsos de pressão que geram os batimentos cardíacos do coração híbrido.

No entanto, o sistema global também inclui componentes electrónicos para alimentação e controlo, particularmente em futuras versões totalmente implantáveis.

Validação funcional

Os testes laboratoriais do coração híbrido em condições fisiológicas revelaram que o dispositivo imita a fisiologia de bombeamento do coração humano e o seu ventrículo esquerdo pode bombear 5,7 litros de sangue por minuto (débito cardíaco) a uma frequência cardíaca de 60 batimentos por minuto. Como o débito cardíaco do ventrículo esquerdo deveria ser maior que o do ventrículo direito, o débito cardíaco do ventrículo direito do dispositivo foi ajustado para 5 litros por minuto ajustando o comprimento dos fios ao redor do ventrículo direito.

O coração híbrido foi posteriormente testado em animais através da implantação cirúrgica do dispositivo no espaço pericárdico. O aparelho foi responsável por todo o fluxo sanguíneo do animal durante um período de teste de 50 minutos.

O teste em animais foi um experimento de curto prazo, não um implante de longo prazo, fornecendo uma prova de conceito inicial para a função do dispositivoIn vivo.

No entanto, no teste agudo em animais, o débito cardíaco foi inferior aoin vitro(Aproximadamente 2,3 litros por minuto a 65 bpm), refletindo o estágio inicial do dispositivo, a natureza de prova de conceito e as limitações técnicas esperadas.

Os resultados mostraram que o material de nylon termoplástico revestido com poliuretano utilizado no coração híbrido não é tóxico, melhorou a biocompatibilidade e possui fortes propriedades antitrombogênicas devido aos seus revestimentos supramoleculares.

animal ein vitroOs testes mostraram uma redução significativa na adesão plaquetária e na trombose em comparação com materiais não revestidos, apoiando o potencial de compatibilidade sanguínea a longo prazo.

Em experimentos de laboratório e em animais, um sistema pneumático aberto foi utilizado para acionar os corações híbridos. No entanto, um sistema de condução fluídica fechado e totalmente implantável foi desenvolvido para uso clínico futuro. Este sistema consistia em uma bomba de ar de fluxo contínuo implantada, um reservatório de ar e um sistema de atuação robótico suave conectado ao septo em um circuito de circulação fechado.

O sistema fluídico fechado foi integrado a um sistema de transferência transcutânea de energia (TET) para fornecer energia elétrica à bomba sem fio. A bobina Tet externa colocada na pele do paciente excedeu a força da bobina Tet interna implantada subcutaneamente enquanto a pele permaneceu intacta.

Esta abordagem pode reduzir potencialmente o risco de infecção e melhorar a qualidade de vida dos pacientes, permitindo-lhes desligar-se temporariamente de uma fonte de energia e participar em actividades como tomar banho ou nadar.

O teste deste sistema fluídico fechado revelou que quando a bomba de fluxo contínuo foi ligada, o coração híbrido começou automaticamente a bater a uma frequência cardíaca de 35 bpm e produziu um débito cardíaco relativamente baixo em comparação com o produzido pelo sistema de condução convencional.

Esta limitação foi atribuída nos experimentos iniciais à potência disponível do sistema TET, que não era uma barreira fundamental para a tecnologia. A pesquisa descobriu que o aumento da energia de entrada deve melhorar o débito cardíaco, e os pesquisadores estão atualmente trabalhando nisso.

Além disso, o coração híbrido demonstrou propriedades fisiológicas adaptativas. A sensibilidade de pré-carga e pós-carga significa que o coração híbrido pode ajustar seu débito em resposta à pressão e aos volumes sanguíneos como um coração natural. Isto é conseguido passivamente, imitando o mecanismo de Frank-Starling, pelo qual o coração aumenta a produção em resposta ao aumento do enchimento, sem a necessidade de sensores complexos ou eletrônicos.

O design também permite a configuração individual do dispositivo, por ex. B. Alterar o comprimento e a posição do fio de acordo com as necessidades individuais do paciente.

Embora a prova de conceito seja promissora, o trabalho ainda está no início. O dispositivo foi construído com materiais de prototipagem em vez de componentes de qualidade médica, e serão necessários mais estudos de longo prazo em animais para validar totalmente a segurança, durabilidade e desempenho da tecnologia.

Antes do uso clínico, todos os componentes principais, incluindo a versão totalmente implantável e os revestimentos de engenharia de tecidos, exigem testes adicionais extensivos, incluindo estudos de longo prazo em animais.

Significado

O estudo fornece a primeira evidência de que técnicas de robótica suave podem desenvolver com sucesso um coração artificial biocompatível que pode fornecer débito cardíaco adequado sob condições fisiológicas.

O coração híbrido desenvolvido no estudo pode superar as deficiências dos corações artificiais totais atualmente disponíveis e potencialmente fornecer superfícies antitrombogênicas e suporte para integração de tecidos.

Por exemplo, no futuro, a tecnologia de revestimento poderá ser desenvolvida para incluir moléculas que incentivem ativamente as células do corpo a colonizar o dispositivo e formar um revestimento interno funcional. Esta dupla abordagem para reduzir a coagulação sanguínea e apoiar a integração dos tecidos do corpo poderia reduzir a necessidade de terapia anticoagulante ao longo da vida.

Embora o coração híbrido ainda não esteja pronto para uso clínico e exija testes e otimização mais aprofundados, ele mostra como a robótica suave e a engenharia biomimética podem fornecer corações artificiais mais seguros, funcionais e mais adaptáveis ​​para pessoas com insuficiência cardíaca em estágio avançado.

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Fontes: