Como a população geriátrica deve aumentar na próxima década, o mesmo acontecerá com as taxas de doenças cardíacas nos Estados Unidos. Prevê-se que a demanda por válvulas cardíacas protéticas e outros dispositivos cardíacos - um mercado avaliado em mais de US $ 5 bilhões hoje - aumentará quase 13% nos próximos seis anos.

As válvulas protéticas são projetadas para imitar um verdadeiro, válvula cardíaca saudável para ajudar a circular o sangue pelo corpo. Contudo, muitos deles têm problemas como vazamento ao redor da válvula, e os engenheiros que trabalham para melhorar esses projetos devem testá-los repetidamente, primeiro em simuladores de bancada simples, então em assuntos animais, antes de chegar a testes em humanos - um processo árduo e caro.

Agora, os engenheiros do MIT e de outros lugares desenvolveram um "coração" biônico que oferece um modelo mais realista para testar válvulas artificiais e outros dispositivos cardíacos.

O dispositivo é um verdadeiro coração biológico, cujo tecido muscular resistente foi substituído por uma matriz robótica macia de músculos cardíacos artificiais, assemelhando-se ao plástico-bolha. A orientação dos músculos artificiais imita o padrão das fibras musculares naturais do coração, de tal forma que, quando os pesquisadores inflam remotamente as bolhas, eles agem juntos para apertar e torcer o coração interior, semelhante ao modo como um real, todo o coração bate e bombeia sangue.

Com este novo design, que eles chamam de "coração híbrido biorobótico, "os pesquisadores imaginam que os designers e engenheiros de dispositivos poderiam iterar e ajustar os designs mais rapidamente, testando no coração biohíbrido, reduzindo significativamente o custo de desenvolvimento de dispositivos cardíacos.

"Os testes regulatórios de dispositivos cardíacos requerem muitos testes de fadiga e testes em animais, "diz Ellen Roche, professor assistente de engenharia mecânica no MIT. "[O novo dispositivo] poderia representar de forma realista o que acontece em um coração real, para reduzir a quantidade de testes em animais ou iterar o projeto mais rapidamente. "

Roche e seus colegas publicaram seus resultados na revista Ciência Robótica . Seus co-autores são a autora principal e estudante de graduação do MIT Clara Park, junto com Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas, e Xuanhe Zhao no MIT, junto com colaboradores da Nanyang Technology University, o Royal College of Surgeons em Dublin, Hospital Infantil de Boston, Harvard Medical School, e Hospital Geral de Massachusetts (MGH).

"Mecânica do coração"

Antes de vir para o MIT, Roche trabalhou brevemente na indústria biomédica, ajudando a testar dispositivos cardíacos em modelos de coração artificial no laboratório.

"Na época, não achei que nenhuma dessas configurações de bancada fosse representativa tanto da anatomia quanto da biomecânica fisiológica do coração, Roche relembra. "Havia uma necessidade não atendida em termos de teste de dispositivos."

Em uma pesquisa separada como parte de seu trabalho de doutorado na Universidade de Harvard, ela desenvolveu um soft, robótico, manga implantável, projetado para envolver um todo, coração vivo, para ajudá-lo a bombear sangue em pacientes que sofrem de insuficiência cardíaca.

No MIT, ela e Park se perguntaram se poderiam combinar as duas vias de pesquisa, para desenvolver um coração híbrido:um coração que é feito em parte de preservado quimicamente, tecido cardíaco explantado e parte de atuadores artificiais macios que ajudam o coração a bombear o sangue. Esse modelo, eles propuseram, deve ser um ambiente mais realista e durável para testar dispositivos cardíacos, em comparação com modelos que são totalmente artificiais, mas não capturam a anatomia complexa do coração, ou são feitos de um coração explantado real, exigindo condições altamente controladas para manter o tecido vivo.

A equipe considerou brevemente embrulhar um todo, coração explantado em uma manga robótica macia, semelhante ao trabalho anterior da Roche, mas percebi o tecido muscular externo do coração, o miocárdio, endureceu rapidamente quando removido do corpo. Qualquer contração robótica pela manga não seria traduzida o suficiente para o coração interno.

Em vez de, a equipe procurou maneiras de projetar uma matriz robótica macia para substituir o tecido muscular natural do coração, no material e na função. Eles decidiram testar sua ideia primeiro no ventrículo esquerdo do coração, uma das quatro câmaras do coração, que bombeia sangue para o resto do corpo, enquanto o ventrículo direito usa menos força para bombear sangue para os pulmões.

"O ventrículo esquerdo é o mais difícil de recriar devido às suas pressões operacionais mais elevadas, e gostamos de começar com os desafios difíceis, "Roche diz.

O coração, desenrolado

O coração normalmente bombeia sangue apertando e torcendo, uma combinação complexa de movimentos resultante do alinhamento das fibras musculares ao longo do miocárdio externo que cobre cada um dos ventrículos do coração. A equipe planejou fabricar uma matriz de músculos artificiais semelhante a bolhas infláveis, alinhado nas orientações do músculo cardíaco natural. Mas copiar esses padrões estudando a geometria tridimensional de um ventrículo mostrou-se extremamente desafiador.

Eles eventualmente encontraram a teoria da banda miocárdica ventricular helicoidal, a ideia de que o músculo cardíaco é essencialmente uma grande faixa helicoidal que envolve cada um dos ventrículos do coração. Esta teoria ainda é objeto de debate por alguns pesquisadores, mas Roche e seus colegas o tomaram como inspiração para seu design. Em vez de tentar copiar a orientação da fibra muscular do ventrículo esquerdo de uma perspectiva 3-D, a equipe decidiu remover o tecido muscular externo do ventrículo e desembrulhá-lo para formar um longo, banda plana - uma geometria que deve ser muito mais fácil de recriar. Nesse caso, eles usaram o tecido cardíaco de um coração de porco explantado.

Em colaboração com o co-autor principal Chris Nguyen do MGH, os pesquisadores usaram imagens de tensor de difusão, uma técnica avançada que normalmente rastreia como a água flui através da matéria branca no cérebro, para mapear as orientações microscópicas das fibras do desdobramento de um ventrículo esquerdo, banda muscular bidimensional. Eles então fabricaram uma matriz de fibras musculares artificiais feitas de finos tubos de ar, cada um conectado a uma série de bolsos infláveis, ou bolhas, a orientação que eles padronizaram após as fibras musculares da imagem.

A matriz macia consiste em duas camadas de silicone, com uma camada solúvel em água entre eles para evitar que as camadas grudem, bem como duas camadas de papel cortado a laser, o que garante que as bolhas inflem em uma orientação específica.

Os pesquisadores também desenvolveram um novo tipo de bioadesivo para colar o plástico-bolha ao real do ventrículo, tecido intracardíaco. Embora existam adesivos para a ligação de tecidos biológicos uns aos outros, e para materiais como silicone entre si, a equipe percebeu que poucos adesivos macios fazem um trabalho adequado de colagem de tecido biológico com materiais sintéticos, silicone em particular.

Roche colaborou com Zhao, professor associado de engenharia mecânica no MIT, que se especializou no desenvolvimento de adesivos à base de hidrogel. O novo adesivo, chamado TissueSil, foi feito através da funcionalização do silicone em um processo de reticulação química, para se ligar a componentes no tecido cardíaco. O resultado foi um líquido viscoso que os pesquisadores escovaram na matriz robótica macia. Eles também escovaram a cola em um novo coração de porco explantado que teve seu ventrículo esquerdo removido, mas suas estruturas endocárdicas preservadas. Quando eles envolveram a matriz muscular artificial em torno deste tecido, os dois se uniram fortemente.

Finalmente, os pesquisadores colocaram todo o coração híbrido em um molde que eles haviam feito anteriormente no original, coração inteiro, e encheu o molde com silicone para envolver o coração híbrido em uma cobertura uniforme - uma etapa que produziu uma forma semelhante a um coração de verdade e garantiu que o plástico bolha robótico se encaixasse perfeitamente ao redor do ventrículo real.

"Dessa maneira, você não perde a transmissão do movimento do músculo sintético para o tecido biológico, "Roche diz.

Quando os pesquisadores bombearam ar para o plástico-bolha em frequências semelhantes às de um coração batendo naturalmente, e imaginou a resposta do coração biônico, ele se contraiu de maneira semelhante à maneira como um coração de verdade se move para bombear o sangue pelo corpo.

Em última análise, os pesquisadores esperam usar o coração biônico como um ambiente realista para ajudar os designers a testar dispositivos cardíacos, como válvulas cardíacas protéticas.

"Imagine que um paciente antes do implante do dispositivo cardíaco pudesse ter seu coração escaneado, e então os médicos poderiam ajustar o dispositivo para um desempenho ideal no paciente bem antes da cirurgia, "diz Nyugen." Além disso, com mais engenharia de tecidos, poderíamos ver o coração híbrido biorobótico ser usado como um coração artificial - uma solução potencial muito necessária, dada a epidemia global de insuficiência cardíaca, onde milhões de pessoas estão à mercê de uma lista competitiva de transplante de coração. "