Gli ingegneri progettano il “cuore” bionico per testare valvole protesiche
Come la crescita della popolazione geriatrica è prevista per il prossimo decennio, così anche i tassi di malattie cardiache negli Stati Uniti. La domanda di valvole cardiache protesiche e di altri dispositivi cardiaci, un mercato che oggi è valutato a più di 5 miliardi di dollari, dovrebbe aumentare di quasi il 13 per cento nei prossimi sei anni.
Le valvole protesiche sono progettate per imitare una vera e propria valvola cardiaca sana, aiutando a far circolare il sangue nel corpo. Tuttavia, molte di esse presentano problemi come le perdite intorno alla valvola, e gli ingegneri che lavorano per migliorare questi progetti devono testarle ripetutamente, prima in semplici simulatori da banco, poi in soggetti animali, prima di raggiungere gli esperimenti sull’uomo, un processo arduo e costoso.
Ora gli ingegneri del MIT e altrove hanno sviluppato un “cuore” bionico che offre un modello più realistico per testare valvole artificiali e altri dispositivi cardiaci.
Il dispositivo è un vero e proprio cuore biologico il cui duro tessuto muscolare è stato sostituito con una morbida matrice robotica di muscoli cardiaci artificiali, che assomiglia al bubble wrap. L’orientamento dei muscoli artificiali imita il modello delle fibre muscolari naturali del cuore, in modo tale che quando i ricercatori gonfiano a distanza le bolle, agiscono insieme per spremere e torcere il cuore interno, in modo simile al modo in cui un vero cuore intero batte e pompa il sangue.
Con questo nuovo design, che chiamano “cuore ibrido biorobotico”, i ricercatori prevedono che i progettisti di dispositivi e gli ingegneri possano iterare e mettere a punto più rapidamente i progetti, testando il cuore bioibrido, riducendo significativamente il costo di sviluppo dei dispositivi cardiaci.
“I test normativi dei dispositivi cardiaci richiedono molti test di fatica e test su animali”, afferma Ellen Roche, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT. “[Il nuovo dispositivo] potrebbe rappresentare realisticamente ciò che accade in un cuore reale, per ridurre la quantità di test sugli animali o iterare il progetto più rapidamente”.
Roche e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista Science Robotics. I suoi co-autori sono l’autore principale e studente laureato del MIT Clara Park, insieme a Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas e Xuanhe Zhao del MIT, insieme a collaboratori della Nanyang Technology University, del Royal College of Surgeons di Dublino, del Boston’s Children’s Hospital, della Harvard Medical School e del Massachusetts General Hospital.
“Meccanica del cuore”
Prima di venire al MIT, Roche ha lavorato brevemente nell’industria biomedica, aiutando a testare dispositivi cardiaci su modelli di cuore artificiale in laboratorio.
“All’epoca non mi sembrava che nessuna di queste configurazioni da banco fosse rappresentativa sia dell’anatomia che della biomeccanica fisiologica del cuore”, ricorda Roche. “C’era una necessità insoddisfatta in termini di test dei dispositivi”.
In una ricerca separata, nell’ambito del suo lavoro di dottorato all’Università di Harvard, ha sviluppato un manicotto morbido, robotico e impiantabile, progettato per avvolgere un intero cuore vivo, per aiutarlo a pompare il sangue nei pazienti che soffrono di insufficienza cardiaca.
Al MIT, lei e Park si sono chiesti se potevano combinare le due vie di ricerca, per sviluppare un cuore ibrido: un cuore che è fatto in parte di tessuto cardiaco chimicamente conservato ed esplicativo e in parte di attuatori artificiali morbidi che aiutano il cuore a pompare il sangue. Tale modello, hanno proposto, dovrebbe essere un ambiente più realistico e duraturo in cui testare i dispositivi cardiaci, rispetto ai modelli che sono o completamente artificiali ma che non catturano la complessa anatomia del cuore, o che sono fatti da un vero cuore spiegato, che richiede condizioni altamente controllate per mantenere vivo il tessuto.
Il team ha brevemente considerato la possibilità di avvolgere un cuore intero ed esplicativo in un manicotto robotico morbido, simile al precedente lavoro di Roche, ma ha realizzato il tessuto muscolare esterno del cuore, il miocardio, che si è rapidamente irrigidito quando è stato rimosso dal corpo. Qualsiasi contrazione robotica da parte del manicotto non riuscirebbe a tradursi a sufficienza nel cuore all’interno.
Invece, il team ha cercato il modo di progettare una matrice robotica morbida per sostituire il tessuto muscolare naturale del cuore, sia nel materiale che nella funzione. Hanno deciso di provare la loro idea prima sul ventricolo sinistro del cuore, una delle quattro camere del cuore, che pompa il sangue al resto del corpo, mentre il ventricolo destro usa meno forza per pompare il sangue ai polmoni.
“Il ventricolo sinistro è il più difficile da ricreare, data la sua maggiore pressione di esercizio, e ci piace iniziare con le sfide difficili”, dice Roche.
Il cuore, dispiegato
Il cuore normalmente pompa il sangue attraverso la pressione e la torsione, una combinazione complessa di movimenti che è il risultato dell’allineamento delle fibre muscolari lungo il miocardio esterno che copre ciascuno dei ventricoli del cuore. Il team ha progettato di fabbricare una matrice di muscoli artificiali che assomigliano a bolle gonfiabili, allineati negli orientamenti del muscolo cardiaco naturale. Ma copiare questi schemi studiando la geometria tridimensionale di un ventricolo si è rivelato estremamente impegnativo.
Alla fine si sono imbattuti nella teoria della banda miocardica ventricolare elicoidale, l’idea che il muscolo cardiaco sia essenzialmente una grande banda elicoidale che avvolge ciascuno dei ventricoli del cuore. Questa teoria è ancora oggetto di dibattito da parte di alcuni ricercatori, ma Roche e i suoi colleghi l’hanno presa come ispirazione per il loro progetto. Invece di cercare di copiare l’orientamento delle fibre muscolari del ventricolo sinistro da una prospettiva 3D, il team ha deciso di rimuovere il tessuto muscolare esterno del ventricolo e di scartarlo per formare una lunga banda piatta – una geometria che dovrebbe essere molto più facile da ricreare. In questo caso, hanno utilizzato il tessuto cardiaco di un cuore di maiale spiegato.
In collaborazione con l’autore co-leader Chris Nguyen di MGH, i ricercatori hanno usato la diffusion tensor imaging, una tecnica avanzata che tipicamente traccia come l’acqua scorre attraverso la materia bianca nel cervello, per mappare gli orientamenti microscopici delle fibre di un ventricolo sinistro spiegate, banda muscolare bidimensionale. Hanno poi fabbricato una matrice di fibre muscolari artificiali fatte da sottili tubi d’aria, ciascuno collegato a una serie di tasche gonfiabili, o bolle, di cui hanno modellato l’orientamento dopo le fibre muscolari immaginarie.
La matrice morbida è composta da due strati di silicone, con uno strato solubile in acqua tra di loro per evitare che gli strati si attacchino, così come due strati di carta tagliata al laser, che assicura che le bolle si gonfino con un orientamento specifico.
I ricercatori hanno anche sviluppato un nuovo tipo di bioadesivo per incollare il bubble wrap al tessuto reale del ventricolo intracardiaco. Mentre esistono adesivi per l’incollaggio di tessuti biologici tra loro e per materiali come il silicone, il team ha realizzato che pochi adesivi morbidi fanno un lavoro adeguato di incollaggio di tessuti biologici con materiali sintetici, in particolare il silicone.
Così Roche ha collaborato con Zhao, professore associato di ingegneria meccanica al MIT, specializzato nello sviluppo di adesivi a base di idrogel. Il nuovo adesivo, denominato TissueSil, è stato realizzato funzionalizzando il silicone in un processo di reticolazione chimica, per legare con i componenti del tessuto cardiaco. Il risultato è stato un liquido viscoso che i ricercatori hanno spazzolato sulla morbida matrice robotica. Hanno anche spazzolato la colla su un nuovo cuore di maiale spiegato che ha avuto il suo ventricolo sinistro rimosso, ma le sue strutture endocardiche conservate. Quando hanno avvolto la matrice muscolare artificiale intorno a questo tessuto, i due hanno legato strettamente.
Infine, i ricercatori hanno messo l’intero cuore ibrido in uno stampo che avevano precedentemente fuso dell’originale, l’intero cuore, e riempito lo stampo con silicone per avvolgere il cuore ibrido in un rivestimento uniforme – un passo che ha prodotto una forma simile a un cuore reale e ha assicurato che la bolla robotica avvolgere si adatta comodamente intorno al ventricolo reale.
“In questo modo non si perde la trasmissione del movimento dal muscolo sintetico al tessuto biologico”, dice Roche.
Quando i ricercatori hanno pompato aria nell’involucro a bolle d’aria a frequenze che assomigliano a quelle di un cuore che batte naturalmente, e hanno immaginato la risposta del cuore bionico, si è contratto in modo simile al modo in cui un cuore reale si muove per pompare il sangue attraverso il corpo.
In definitiva, i ricercatori sperano di utilizzare il cuore bionico come ambiente realistico per aiutare i progettisti a testare dispositivi cardiaci come le valvole cardiache protesiche.
“Immaginate che un paziente prima dell’impianto di un dispositivo cardiaco possa essere sottoposto a una scansione del cuore e che i medici possano regolare il dispositivo in modo che funzioni in modo ottimale nel paziente ben prima dell’intervento”, dice Nyugen. “Inoltre, con un’ulteriore ingegneria tissutale, potremmo potenzialmente vedere il cuore ibrido biorobotico essere utilizzato come cuore artificiale, una soluzione potenziale molto necessaria data l’epidemia globale di insufficienza cardiaca in cui milioni di persone sono alla mercé di una lista di trapianti di cuore”.
