La maggior parte delle persone ha familiarità con la turbolenza nell'aviazione:determinate condizioni di vento causano un volo passeggeri accidentato. Ma anche all'interno dei vasi sanguigni umani, il flusso sanguigno può essere turbolento. La turbolenza può apparire quando il sangue scorre lungo le curve o i bordi dei vasi, provocando un brusco cambiamento nella velocità del flusso. Il flusso sanguigno turbolento genera forze extra che aumentano le probabilità di formazione di coaguli di sangue. Questi coaguli crescono lentamente fino a quando possono essere trasportati dal flusso sanguigno e causare un ictus bloccando un'arteria nel cervello.

Le valvole cardiache meccaniche producono flussi sanguigni turbolenti

I pazienti con valvole cardiache artificiali sono a maggior rischio di formazione di coaguli. L'elevato rischio è noto dall'osservazione dei pazienti dopo l'impianto di una valvola artificiale. Il fattore di rischio della coagulazione è particolarmente grave per i riceventi di valvole cardiache meccaniche, dove i pazienti devono ricevere ogni giorno fluidificanti del sangue per combattere il rischio di ictus. Finora, non è chiaro perché le valvole cardiache meccaniche promuovono la formazione di coaguli molto più di altri tipi di valvole, per esempio. valvole cardiache biologiche.

Un team di ingegneri del gruppo di ingegneria cardiovascolare presso il Centro ARTORG per la ricerca di ingegneria biomedica dell'Università di Berna ha ora identificato con successo un meccanismo che può contribuire in modo significativo alla formazione di coaguli. Hanno usato complessi metodi matematici della teoria della stabilità idrodinamica, un sottocampo della meccanica dei fluidi, che è stato utilizzato con successo per molti decenni per sviluppare velivoli a basso consumo di carburante. Questa è la prima traduzione di questi metodi, che combinano fisica e matematica applicata, in medicina.

Utilizzando complesse simulazioni al computer su supercomputer di punta presso il Centro Svizzero di Calcolo Scientifico di Lugano, il team di ricerca è stato in grado di dimostrare che la forma attuale dei lembi di regolazione del flusso della valvola cardiaca porta a una forte turbolenza nel flusso sanguigno. "Navigando tra i dati della simulazione, abbiamo scoperto come il sangue colpisce il bordo anteriore dei lembi delle valvole, e come il flusso sanguigno diventa rapidamente instabile e forma vortici turbolenti, " spiega Hadi Zolfaghari, primo autore dello studio. "Le forti forze generate in questo processo potrebbero attivare la coagulazione del sangue e causare la formazione di coaguli immediatamente dietro la valvola. I supercomputer ci hanno aiutato a catturare una causa alla radice della turbolenza in queste valvole, e la teoria della stabilità idrodinamica ci ha aiutato a trovare una soluzione ingegneristica".

Le valvole cardiache meccaniche utilizzate nello studio sono costituite da un anello metallico e da due lembi rotanti su cerniere; i lembi si aprono e si chiudono ad ogni battito cardiaco per consentire al sangue di defluire dal cuore ma non di rientrare di nuovo. Nello studio, il team ha anche studiato come migliorare la valvola cardiaca. Ha dimostrato che anche un design leggermente modificato dei lembi della valvola permetteva al sangue di fluire senza generare instabilità che portano a turbolenze, più come un cuore sano. Un tale flusso sanguigno senza turbolenze ridurrebbe significativamente la possibilità di formazione di coaguli e ictus.

Una vita senza fluidificanti del sangue?

Più di 100, 000 persone all'anno ricevono una valvola cardiaca meccanica. A causa dell'elevato rischio di coagulazione, tutte queste persone devono prendere fluidificanti del sangue, ogni giorno, e per il resto della loro vita. Se il design delle valvole cardiache è migliorato dal punto di vista della meccanica dei fluidi, è ipotizzabile che i destinatari di queste valvole non abbiano più bisogno di fluidificanti del sangue. Questo potrebbe portare a una vita normale, senza l'onere duraturo di ricevere farmaci per fluidificare il sangue. "Il design delle valvole cardiache meccaniche è stato difficilmente adattato dal loro sviluppo negli anni '70, "dice Dominik Obrist, capo del gruppo di ricerca presso il Centro ARTORG. "Al contrario, molta ricerca e sviluppo è stata condotta in altre aree di ingegneria, come la progettazione di aeromobili. Considerando quante persone hanno una valvola cardiaca artificiale, è tempo di parlare di ottimizzazioni progettuali anche in questo ambito per dare a queste persone una vita migliore."

Gruppo di ricerca Ingegneria cardiovascolare

Il gruppo di Ingegneria Cardiovascolare (CVE) di ARTORG studia i flussi e le malattie cardiovascolari, come le cardiopatie valvolari e l'infarto. La sua ricerca mira a migliorare la durata e la biocompatibilità a lungo termine di dispositivi e impianti terapeutici e di sviluppare nuovi strumenti diagnostici per la pratica clinica. I progetti di ricerca traslazionale CVE affrontano le esigenze cliniche immediate che sono state identificate insieme ai partner clinici in angiologia, Cardiologia e Chirurgia Cardiovascolare presso Inselspital, che sono strettamente integrati nei team di progetto dall'inizio alla fine. Il team gestisce un laboratorio sperimentale di flusso con una moderna tecnologia di misurazione e un laboratorio computazionale per modellare i flussi nel cuore e nei vasi sanguigni. Le sue strutture sperimentali includono telecamere ad alta velocità e metodi basati su laser per la quantificazione del flusso tridimensionale. Il gruppo sviluppa e utilizza modelli di computer e supercomputer personalizzati per studiare i sistemi di flusso biomedici con l'interazione fluido-struttura.