La mayoría de las personas están familiarizadas con las turbulencias en la aviación:ciertas condiciones de viento provocan un vuelo de pasajeros con baches. Pero incluso dentro de los vasos sanguíneos humanos, el flujo sanguíneo puede ser turbulento. La turbulencia puede aparecer cuando la sangre fluye a lo largo de las curvas o bordes de los vasos, provocando un cambio brusco en la velocidad del flujo. El flujo sanguíneo turbulento genera fuerzas adicionales que aumentan las probabilidades de que se formen coágulos de sangre. Estos coágulos crecen lentamente hasta que pueden ser transportados por el torrente sanguíneo y causar un accidente cerebrovascular al bloquear una arteria en el cerebro.

Las válvulas cardíacas mecánicas producen flujos sanguíneos turbulentos

Los pacientes con válvulas cardíacas artificiales tienen un mayor riesgo de formación de coágulos. El riesgo elevado se conoce por la observación de los pacientes después de la implantación de una válvula artificial. El factor de riesgo de coagulación es particularmente severo para los receptores de válvulas cardíacas mecánicas, donde los pacientes deben recibir anticoagulantes todos los días para combatir el riesgo de accidente cerebrovascular. Hasta aquí, no está claro por qué las válvulas cardíacas mecánicas promueven la formación de coágulos mucho más que otros tipos de válvulas, p.ej. válvulas cardíacas biológicas.

Un equipo de ingenieros del Grupo de Ingeniería Cardiovascular del Centro ARTORG de Investigación en Ingeniería Biomédica de la Universidad de Berna ha identificado con éxito un mecanismo que puede contribuir significativamente a la formación de coágulos. Utilizaron métodos matemáticos complejos de la teoría de la estabilidad hidrodinámica, un subcampo de mecánica de fluidos, que se ha utilizado con éxito durante muchas décadas para desarrollar aviones de bajo consumo de combustible. Esta es la primera traducción de estos métodos, que combinan física y matemáticas aplicadas, en medicina.

Usando complejas simulaciones por computadora en supercomputadoras insignia en el Centro Svizzero di Calcolo Scientifico en Lugano, el equipo de investigación pudo demostrar que la forma actual de las aletas reguladoras del flujo de la válvula cardíaca provoca una fuerte turbulencia en el flujo sanguíneo. "Al navegar por los datos de simulación, Descubrimos cómo la sangre incide en el borde frontal de las aletas de la válvula, y cómo el flujo sanguíneo se vuelve rápidamente inestable y forma vórtices turbulentos, "explica Hadi Zolfaghari, primer autor del estudio. "Las fuertes fuerzas generadas en este proceso podrían activar la coagulación de la sangre y hacer que se formen coágulos inmediatamente detrás de la válvula. Las supercomputadoras nos ayudaron a capturar una de las causas fundamentales de la turbulencia en estas válvulas, y la teoría de la estabilidad hidrodinámica nos ayudó a encontrar una solución de ingeniería ".

Las válvulas cardíacas mecánicas que se utilizaron en el estudio consisten en un anillo de metal y dos aletas que giran sobre bisagras; las solapas se abren y cierran en cada latido del corazón para permitir que la sangre fluya fuera del corazón pero no vuelva a entrar. En el estudio, el equipo también investigó cómo se podría mejorar la válvula cardíaca. Mostró que incluso un diseño ligeramente modificado de las aletas de las válvulas permitía que la sangre fluyera sin generar inestabilidades que condujeran a turbulencias, más como un corazón sano. Un flujo sanguíneo de este tipo sin turbulencias reduciría significativamente la posibilidad de formación de coágulos y derrames cerebrales.

¿Vida sin anticoagulantes?

Mas que 100, 000 personas al año reciben una válvula cardíaca mecánica. Debido al alto riesgo de coagulación, todas estas personas deben tomar anticoagulantes, cotidiano, y por el resto de sus vidas. Si se mejora el diseño de las válvulas cardíacas desde el punto de vista de la mecánica de fluidos, es concebible que los receptores de estas válvulas ya no necesiten anticoagulantes. Esto podría llevar a una vida normal, sin la carga duradera de recibir medicamentos anticoagulantes. "El diseño de las válvulas cardíacas mecánicas apenas se ha adaptado desde su desarrollo en la década de 1970, "dice Dominik Obrist, jefe del grupo de investigación del Centro ARTORG. "Por el contrario, Se ha realizado mucha investigación y desarrollo en otras áreas de ingeniería, como el diseño de aviones. Considerando cuántas personas tienen una válvula cardíaca artificial, es hora de hablar de optimizaciones de diseño también en esta área para darles a estas personas una vida mejor ".

Grupo de investigación Ingeniería Cardiovascular

El grupo de Ingeniería Cardiovascular (CVE) de ARTORG estudia los flujos y enfermedades cardiovasculares, como enfermedad cardíaca valvular y ataque cardíaco. Su investigación tiene como objetivo mejorar la durabilidad a largo plazo y la biocompatibilidad de los implantes y dispositivos terapéuticos y desarrollar nuevas herramientas de diagnóstico para la práctica clínica. Los proyectos de investigación traslacional de CVE abordan las necesidades clínicas inmediatas que se identificaron junto con socios clínicos en angiología, Cardiología y Cirugía Cardiovascular en Inselspital, que están estrechamente integrados en los equipos del proyecto de principio a fin. El equipo opera un laboratorio de flujo experimental con tecnología de medición moderna y un laboratorio computacional para modelar los flujos en el corazón y los vasos sanguíneos. Sus instalaciones experimentales incluyen cámaras de alta velocidad y métodos basados ​​en láser para la cuantificación de flujo tridimensional. El grupo desarrolla y utiliza modelos de computadora y supercomputadoras a medida para estudiar sistemas de flujo biomédicos con interacción fluido-estructura.