Poiché si prevede che la popolazione geriatrica aumenterà nel prossimo decennio, così anche i tassi di malattie cardiache negli Stati Uniti. Si prevede che la domanda di valvole cardiache protesiche e altri dispositivi cardiaci, un mercato valutato oggi oltre 5 miliardi di dollari, aumenterà di quasi il 13% nei prossimi sei anni.

Le valvole protesiche sono progettate per imitare un vero, valvola cardiaca sana nell'aiutare a far circolare il sangue attraverso il corpo. Però, molti di loro hanno problemi come perdite intorno alla valvola, e gli ingegneri che lavorano per migliorare questi progetti devono testarli ripetutamente, prima in semplici simulatori da banco, poi in soggetti animali, prima di raggiungere le prove umane, 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 cuore biologico il cui tessuto muscolare duro è stato sostituito con una morbida matrice robotica di muscoli cardiaci artificiali, simile al pluriball. L'orientamento dei muscoli artificiali imita lo schema delle fibre muscolari naturali del cuore, in modo tale che quando i ricercatori gonfiano a distanza le bolle, agiscono insieme per stringere e torcere il cuore interiore, simile al modo in cui un vero, tutto il cuore batte e pompa il sangue.

Con questo nuovo design, che chiamano un "cuore ibrido biorobotico, " i ricercatori prevedono che i progettisti e gli ingegneri di dispositivi potrebbero iterare e perfezionare i progetti più rapidamente testando sul cuore bioibrido, riducendo significativamente il costo dello sviluppo del dispositivo cardiaco.

"I test normativi sui dispositivi cardiaci richiedono molti test di fatica e test sugli animali, "dice Ellen Roche, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT. "[Il nuovo dispositivo] potrebbe rappresentare realisticamente ciò che accade in un vero cuore, ridurre la quantità di test sugli animali o iterare il progetto più rapidamente."

Roche e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Robotica scientifica . I suoi coautori sono l'autrice principale e studentessa laureata al MIT Clara Park, insieme a Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas, e Xuanhe Zhao al MIT, insieme ai collaboratori della Nanyang Technology University, il Royal College of Surgeons di Dublino, Ospedale pediatrico di Boston, Facoltà di Medicina di Harvard, e il Massachusetts General Hospital (MGH).

"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 pensavo che nessuna di queste configurazioni da banco fosse rappresentativa sia dell'anatomia che della biomeccanica fisiologica del cuore, " Ricorda Roche. "C'era un bisogno insoddisfatto in termini di test dei dispositivi".

In una ricerca separata come parte del suo lavoro di dottorato all'Università di Harvard, ha sviluppato un morbido, robotica, manicotto impiantabile, progettato per avvolgere un tutto, cuore vivo, per aiutarlo a pompare il sangue nei pazienti affetti da insufficienza cardiaca.

Al MIT, lei e Park si chiedevano se potevano combinare le due strade di ricerca, sviluppare un cuore ibrido:un cuore che è fatto in parte di conservanti chimicamente, tessuto cardiaco espiantato e in parte di attuatori artificiali morbidi che aiutano il cuore a pompare il sangue. Un tale modello, hanno proposto, dovrebbe essere un ambiente più realistico e duraturo in cui testare i dispositivi cardiaci, rispetto a modelli che sono interamente artificiali ma non catturano la complessa anatomia del cuore, o sono fatti da un vero cuore espiantato, richiedono condizioni altamente controllate per mantenere in vita il tessuto.

Il team ha brevemente considerato di avvolgere un intero, cuore espiantato in una morbida custodia robotica, simile al lavoro precedente di Roche, ma realizzai il tessuto muscolare esterno del cuore, il miocardio, rapidamente irrigidito quando rimosso dal corpo. Qualsiasi contrazione robotica della manica non sarebbe riuscita a tradursi sufficientemente nel cuore all'interno.

Anziché, il team ha cercato modi per progettare una matrice robotica morbida per sostituire il tessuto muscolare naturale del cuore, sia nel materiale che nella funzione. Decisero di provare prima la loro idea sul ventricolo sinistro del cuore, una delle quattro camere del cuore, che pompa il sangue nel 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 date le sue maggiori pressioni operative, e ci piace iniziare con le sfide difficili, "dice Rocco.

Il cuore, spiegata

Il cuore normalmente pompa il sangue comprimendo e torcendo, una complessa combinazione 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 pianificato di fabbricare una matrice di muscoli artificiali simile 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 fascia 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 lo hanno preso come ispirazione per il loro design. Invece di provare a 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 aprirlo per formare un lungo, banda piatta:una geometria che dovrebbe essere molto più facile da ricreare. In questo caso, hanno usato il tessuto cardiaco di un cuore di maiale espiantato.

In collaborazione con il co-autore Chris Nguyen di MGH, i ricercatori hanno utilizzato l'imaging del tensore di diffusione, una tecnica avanzata che in genere tiene traccia di come l'acqua scorre attraverso la materia bianca nel cervello, per mappare gli orientamenti microscopici delle fibre del ventricolo sinistro dispiegato, fascia muscolare bidimensionale. Hanno quindi fabbricato una matrice di fibre muscolari artificiali fatte da sottili tubi d'aria, ciascuno collegato a una serie di tasche gonfiabili, o bolle, l'orientamento di cui hanno modellato dopo le fibre muscolari immaginate.

La matrice morbida è costituita da due strati di silicone, con uno strato idrosolubile tra di loro per evitare che gli strati si attacchino, oltre a 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 pluriball al vero, del ventricolo. tessuto intracardiaco. Sebbene esistano adesivi per legare tra loro i tessuti biologici, e e per materiali come il silicone tra loro, il team ha realizzato che pochi adesivi morbidi svolgono un lavoro adeguato nell'incollare insieme tessuti biologici con materiali sintetici, silicone in particolare.

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, chiamato TissueSil, è stato realizzato funzionalizzando il silicone in un processo di reticolazione chimica, legarsi con i componenti del tessuto cardiaco. Il risultato è stato un liquido viscoso che i ricercatori hanno applicato sulla morbida matrice robotica. Hanno anche spalmato la colla su un nuovo cuore di maiale espiantato a cui è stato rimosso il ventricolo sinistro ma le sue strutture endocardiche sono state preservate. Quando hanno avvolto la matrice muscolare artificiale attorno a questo tessuto, i due si unirono strettamente.

Finalmente, i ricercatori hanno posizionato l'intero cuore ibrido in uno stampo che avevano precedentemente fuso dell'originale, cuore intero, e riempito lo stampo di silicone per racchiudere il cuore ibrido in una copertura uniforme, un passaggio che ha prodotto una forma simile a un vero cuore e ha assicurato che il pluriball robotico si adattasse perfettamente al vero ventricolo.

"Quel modo, non si perde la trasmissione del movimento dal muscolo sintetico al tessuto biologico, "dice Rocco.

Quando i ricercatori hanno pompato aria nel pluriball a frequenze che ricordano un cuore che batte naturalmente, e immaginò la risposta del cuore bionico, si contraeva in modo simile al modo in cui un vero cuore si muove per pompare il sangue attraverso il corpo.

In definitiva, i ricercatori sperano di utilizzare il cuore bionico come un ambiente realistico per aiutare i progettisti a testare dispositivi cardiaci come le valvole cardiache protesiche.

"Immagina che un paziente prima dell'impianto del dispositivo cardiaco possa essere sottoposto a scansione del cuore, e quindi i medici potrebbero mettere a punto il dispositivo per funzionare in modo ottimale nel paziente ben prima dell'intervento, " dice Nyugen. "Inoltre, con ulteriore ingegneria dei tessuti, 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 in balia di un elenco competitivo di trapianti di cuore".