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Cientistas da ETH Zurich e da empresa sul-africana Strait Access Technologies estão usando a impressão 3D para produzir válvulas cardíacas artificiais feitas de silicone. Isso poderia ajudar a atender a crescente demanda de uma população envelhecida por válvulas cardíacas substitutas.
Fonte ETH de Peter Rüegg: O coração humano tem quatro câmaras, cada uma equipada com uma válvula para garantir o fluxo sanguíneo somente em uma direção. Se qualquer uma das válvulas cardíacas vazar, estreitar-se ou distender-se (ou mesmo romper-se), o sangue voltará aos átrios ou ventrículos, colocando o coração inteiro sob pressão severa. Na pior das hipóteses, isso pode levar a arritmia ou até mesmo insuficiência cardíaca.
Dependendo da gravidade do defeito, válvulas cardíacas artificiais podem ser inseridas para solucionar o problema. Nas próximas décadas, a demanda por esse tipo de cirurgia provavelmente aumentará em muitas partes do mundo devido ao envelhecimento da população, à falta de exercícios físicos e à dieta pobre. Estima-se que cerca de 850.000 pessoas necessitarão de válvulas cardíacas artificiais em 2050.
Pesquisadores que trabalham na ETH Zurich e na empresa sul-africana SAT têm procurado uma alternativa para as válvulas cardíacas substitutas atualmente em uso. E com algum sucesso: eles desenvolveram uma válvula cardíaca artificial feita de silicone, que é criada em várias etapas usando impressoras 3D. Os cientistas relataram seu trabalho em um artigo na última edição da revista científica “Matter”.
O novo modelo tem várias vantagens sobre as válvulas cardíacas convencionais: a válvula cardíaca de silicone pode ser adaptada com mais precisão ao paciente, pois os pesquisadores determinam primeiro a forma eo tamanho individuais da válvula cardíaca com vazamento usando tomografia computadorizada ou ressonância magnética. Isso permite imprimir uma válvula cardíaca que se encaixa perfeitamente na câmara cardíaca do paciente. Os pesquisadores usam as imagens para criar um modelo digital e uma simulação de computador para calcular antecipadamente as forças que atuam sobre o implante e sua potencial deformação. O material utilizado também é compatível com o corpo humano, enquanto o fluxo sanguíneo através da válvula cardíaca artificial é tão bom quanto com as válvulas de substituição convencionais.
Cirurgiões cardíacos têm tradicionalmente usado implantes que consistem em polímeros duros ou tecido animal (de vacas ou porcos) combinados com armações de metal. Para evitar que o corpo rejeite esses implantes, os pacientes precisam tomar imunossupressores ou anticoagulantes por toda a vida, que têm efeitos colaterais indesejáveis significativos.
Vídeo: Fergal Coulter / Complex Materials / ETH Zurich
Mais fácil de fazer
Além disso, as válvulas de substituição convencionais têm uma forma geométrica muito rígida, o que torna difícil para os cirurgiões garantir uma boa vedação entre as novas válvulas e o tecido cardíaco. “As válvulas de substituição usadas atualmente são circulares, mas não combinam exatamente com a forma da aorta, que é diferente para cada paciente”, diz Manuel Schaffner, um dos autores principais do estudo e ex-aluno de doutorado de André Studart, Professor de Materiais Complexos na ETH. Além disso, fabricar válvulas cardíacas artificiais é caro e demorado.
O novo tipo de válvulas cardíacas de silicone contorna esse problema. Leva apenas uma hora e meia para os pesquisadores produzirem uma válvula com uma impressora 3D. Em contraste, leva vários dias úteis para fabricar uma válvula cardíaca artificial à mão a partir de material bovino. A produção com impressoras 3D também poderia ser acelerada: uma bateria de impressoras poderia, por exemplo, produzir dezenas ou até centenas de válvulas todos os dias.
Primeiro, os cientistas criam uma impressão negativa da válvula. A tinta de silicone é pulverizada sobre essa impressão na forma de uma coroa de três pontas, que forma as abas finas da válvula. Na próxima etapa, uma impressora de extrusão deposita uma pasta de silicone resistente para imprimir padrões específicos de fios finos em sua superfície. Estes correspondem a fibras de colágeno que passam através de válvulas cardíacas naturais. As roscas de silicone reforçam a aba da válvula e prolongam a vida útil da válvula de substituição. A raiz do vaso sanguíneo conectado à válvula cardíaca é impressa usando o mesmo procedimento e no final é coberta com um stent em forma de rede, que é necessário para conectar a substituição da válvula de silicone ao sistema cardiovascular do paciente.
Maior vida útil
Testes iniciais produziram resultados muito promissores para a função da nova válvula. O objetivo dos cientistas de materiais é estender a vida útil dessas válvulas de substituição para 10 a 15 anos. É por quanto tempo os modelos atuais duram em pacientes antes de precisarem ser trocados. “Seria maravilhoso se um dia pudéssemos produzir válvulas cardíacas que durassem uma vida inteira e possivelmente até crescessem junto com o paciente, para que também pudessem ser implantadas em pessoas jovens” Says Schaffner.
No entanto, ainda levará pelo menos 10 anos para que as novas válvulas cardíacas artificiais entrem em uso clínico, pois elas precisam passar por testes clínicos exaustivos.
Fergal Coulter, principal autor do estudo, está atualmente trabalhando no desenvolvimento da válvula cardíaca de silicone. “Esses experimentos são necessários para garantir que a tecnologia tenha alguma chance de ser usada em pacientes humanos”, enfatiza. Coulter é um pós-doc no grupo do Professor Studart e desenvolveu as impressoras 3D necessárias para produzir as válvulas cardíacas.
Material novo é muito robusto
A Coulter também continua a experimentar novos materiais que podem prolongar a vida útil das válvulas cardíacas.
No entanto, um parceiro industrial ou possivelmente um spin-off é necessário para tornar a válvula cardíaca comercialmente disponível no mercado. “Como grupo de pesquisa, infelizmente não podemos oferecer uma oferta perfeita desde o primeiro experimento até a primeira aplicação no corpo humano”, enfatiza Schaffner.
Referência
Coulter FB, et al .: Prótese Valvulada Cardíaca Bioinspirada Fabricada por Manufatura Aditiva de Silicone. Volume 1, Edição 1, 10 de julho de 2019, páginas 266-279. DOI: 10.1016 / j.matt.2019.05.013
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