Dado que se espera que la población geriátrica aumente en la próxima década, también lo harán las tasas de enfermedades cardíacas en los Estados Unidos. Se prevé que la demanda de válvulas cardíacas protésicas y otros dispositivos cardíacos, un mercado valorado en más de $ 5 mil millones de dólares en la actualidad, aumentará casi un 13 por ciento en los próximos seis años.

Las válvulas protésicas están diseñadas para imitar una válvula cardíaca saludable para ayudar a hacer circular la sangre a través del cuerpo. Sin embargo, muchos de ellos tienen problemas como fugas alrededor de la válvula, y los ingenieros que trabajan para mejorar estos diseños deben probarlos repetidamente, primero en simuladores de sobremesa simples, luego en sujetos animales, antes de llegar a los ensayos en humanos, un proceso arduo y costoso.

Ahora, los ingenieros del MIT y otros lugares han desarrollado un "corazón" biónico que ofrece un modelo más realista para probar válvulas artificiales y otros dispositivos cardíacos.

El dispositivo es un corazón biológico real cuyo tejido muscular resistente ha sido reemplazado por una matriz robótica suave de músculos cardíacos artificiales. parecido al plástico de burbujas. La orientación de los músculos artificiales imita el patrón de las fibras musculares naturales del corazón, de tal manera que cuando los investigadores inflan las burbujas de forma remota, actúan juntos para apretar y torcer el corazón interior, similar a la forma en que un real, todo el corazón late y bombea sangre.

Con este nuevo diseño, que ellos llaman un "corazón híbrido biorobótico, "los investigadores prevén que los diseñadores e ingenieros de dispositivos podrían iterar y afinar los diseños más rápidamente al realizar pruebas en el corazón biohíbrido, reduciendo significativamente el costo del desarrollo de dispositivos cardíacos.

"Las pruebas reglamentarias de los dispositivos cardíacos requieren muchas pruebas de fatiga y pruebas con animales, "dice Ellen Roche, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT. "[El nuevo dispositivo] podría representar de manera realista lo que sucede en un corazón real, para reducir la cantidad de pruebas con animales o iterar el diseño más rápidamente ".

Roche y sus colegas han publicado sus resultados en la revista Ciencia Robótica . Sus coautores son la autora principal y estudiante graduada del MIT Clara Park, junto con Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas, y Xuanhe Zhao en MIT, junto con colaboradores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, el Real Colegio de Cirujanos de Dublín, Hospital de Niños de Boston, Escuela Médica de Harvard, y el Hospital General de Massachusetts (MGH).

"Mecánica del corazón"

Antes de venir al MIT, Roche trabajó brevemente en la industria biomédica, ayudando a probar dispositivos cardíacos en modelos de corazón artificial en el laboratorio.

"En ese momento, no sentí que ninguna de estas configuraciones de mesa fuera representativa tanto de la anatomía como de la biomecánica fisiológica del corazón, "Roche recuerda." Había una necesidad insatisfecha en términos de pruebas de dispositivos ".

En una investigación separada como parte de su trabajo de doctorado en la Universidad de Harvard, ella desarrolló un suave, robótico manguito implantable, diseñado para envolver un todo, corazón vivo, para ayudar a bombear sangre en pacientes que padecen insuficiencia cardíaca.

En el MIT, ella y Park se preguntaron si podrían combinar las dos vías de investigación, para desarrollar un corazón híbrido:un corazón que está hecho en parte de preservado químicamente, tejido cardíaco explantado y en parte de actuadores artificiales suaves que ayudan al corazón a bombear sangre. Tal modelo, ellos propusieron, debe ser un entorno más realista y duradero en el que probar los dispositivos cardíacos, en comparación con modelos que son completamente artificiales pero que no capturan la compleja anatomía del corazón, o están hechos de un corazón explantado real, requiriendo condiciones altamente controladas para mantener vivo el tejido.

El equipo consideró brevemente envolver un conjunto, corazón explantado en una funda robótica suave, similar al trabajo anterior de Roche, pero se dio cuenta del tejido muscular externo del corazón, el miocardio, se puso rígido rápidamente cuando se quitó del cuerpo. Cualquier contracción robótica de la manga no se trasladaría lo suficiente al corazón interior.

En lugar de, el equipo buscó formas de diseñar una matriz robótica suave para reemplazar el tejido muscular natural del corazón, tanto en material como en función. Decidieron probar su idea primero en el ventrículo izquierdo del corazón, una de las cuatro cámaras del corazón, que bombea sangre al resto del cuerpo, mientras que el ventrículo derecho usa menos fuerza para bombear sangre a los pulmones.

"El ventrículo izquierdo es el más difícil de recrear dadas sus presiones operativas más altas, y nos gusta empezar con los retos duros, "Dice Roche.

El corazón, desplegado

El corazón normalmente bombea sangre apretando y girando, una combinación compleja de movimientos que es el resultado de la alineación de las fibras musculares a lo largo del miocardio externo que cubre cada uno de los ventrículos del corazón. El equipo planeó fabricar una matriz de músculos artificiales que se asemejara a burbujas inflables, alineados en las orientaciones del músculo cardíaco natural. Pero copiar estos patrones mediante el estudio de la geometría tridimensional de un ventrículo resultó ser un gran desafío.

Finalmente se encontraron con la teoría de la banda miocárdica ventricular helicoidal, la idea de que el músculo cardíaco es esencialmente una gran banda helicoidal que envuelve cada uno de los ventrículos del corazón. Esta teoría sigue siendo objeto de debate por parte de algunos investigadores, pero Roche y sus colegas lo tomaron como inspiración para su diseño. En lugar de intentar copiar la orientación de las fibras musculares del ventrículo izquierdo desde una perspectiva tridimensional, El equipo decidió quitar el tejido muscular externo del ventrículo y desenvolverlo para formar un banda plana:una geometría que debería ser mucho más fácil de recrear. En este caso, utilizaron el tejido cardíaco de un corazón de cerdo explantado.

En colaboración con el coautor principal Chris Nguyen en MGH, los investigadores utilizaron imágenes de tensor de difusión, una técnica avanzada que normalmente rastrea cómo fluye el agua a través de la materia blanca en el cerebro, para mapear las orientaciones microscópicas de las fibras de un ventrículo izquierdo desplegado, banda muscular bidimensional. Luego fabricaron una matriz de fibras musculares artificiales hechas de tubos de aire delgados, cada uno conectado a una serie de bolsillos inflables, o burbujas, la orientación de la cual se modelaron después de las fibras musculares fotografiadas.

La matriz blanda consta de dos capas de silicona, con una capa soluble en agua entre ellos para evitar que las capas se peguen, así como dos capas de papel cortado con láser, lo que asegura que las burbujas se inflen en una orientación específica.

Los investigadores también desarrollaron un nuevo tipo de bioadhesivo para pegar el plástico de burbujas al ventrículo real, tejido intracardiaco. Si bien existen adhesivos para unir tejidos biológicos entre sí, y para materiales como la silicona entre sí, el equipo se dio cuenta de que pocos adhesivos blandos hacen un trabajo adecuado al pegar tejido biológico con materiales sintéticos, silicona en particular.

Entonces Roche colaboró ​​con Zhao, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, que se especializa en el desarrollo de adhesivos a base de hidrogel. El nuevo adhesivo, llamado TissueSil, se hizo funcionalizando silicona en un proceso de reticulación química, para unirse con los componentes del tejido cardíaco. El resultado fue un líquido viscoso que los investigadores aplicaron sobre la suave matriz robótica. También aplicaron el pegamento a un nuevo corazón de cerdo explantado al que se le extrajo el ventrículo izquierdo, pero se conservaron sus estructuras endocárdicas. Cuando envolvieron la matriz muscular artificial alrededor de este tejido, los dos se unieron fuertemente.

Finalmente, los investigadores colocaron todo el corazón híbrido en un molde que habían moldeado previamente del original, corazón entero, y llenó el molde con silicona para encerrar el corazón híbrido en una cubierta uniforme, un paso que produjo una forma similar a un corazón real y aseguró que el plástico de burbujas robótico encajara perfectamente alrededor del ventrículo real.

"De esa manera, no pierde la transmisión del movimiento del músculo sintético al tejido biológico, "Dice Roche.

Cuando los investigadores bombearon aire en la envoltura de burbujas a frecuencias que se asemejaban a un corazón que latía naturalmente, e imaginé la respuesta del corazón biónico, se contrajo de una manera similar a como se mueve un corazón real para bombear sangre a través del cuerpo.

Por último, los investigadores esperan utilizar el corazón biónico como un entorno realista para ayudar a los diseñadores a probar dispositivos cardíacos como válvulas cardíacas protésicas.

"Imagínese que a un paciente antes de la implantación de un dispositivo cardíaco se le pudiera escanear el corazón, y luego los médicos pueden ajustar el dispositivo para que funcione de manera óptima en el paciente mucho antes de la cirugía, "dice Nyugen". Además, con más ingeniería de tejidos, potencialmente podríamos ver que el corazón híbrido biorobótico se usa como corazón artificial, una solución potencial muy necesaria dada la epidemia mundial de insuficiencia cardíaca en la que millones de personas están a merced de una lista competitiva de trasplantes de corazón ".