A maioria das pessoas está familiarizada com a turbulência na aviação:certas condições de vento causam voos de passageiros turbulentos. Mas mesmo dentro dos vasos sanguíneos humanos, o fluxo sanguíneo pode ser turbulento. A turbulência pode aparecer quando o sangue flui ao longo das curvas ou bordas dos vasos, causando uma mudança abrupta na velocidade do fluxo. O fluxo sanguíneo turbulento gera forças extras que aumentam as chances de formação de coágulos sanguíneos. Esses coágulos crescem lentamente até que possam ser carregados pela corrente sanguínea e causar derrame, bloqueando uma artéria no cérebro.

Válvulas cardíacas mecânicas produzem fluxos sanguíneos turbulentos

Pacientes com válvulas cardíacas artificiais têm maior risco de formação de coágulos. O risco elevado é conhecido pela observação dos pacientes após o implante de uma válvula artificial. O fator de risco de coagulação é particularmente grave para os receptores de válvulas cardíacas mecânicas, onde os pacientes devem receber anticoagulantes todos os dias para combater o risco de derrame. Até aqui, não está claro por que as válvulas cardíacas mecânicas promovem a formação de coágulos muito mais do que outros tipos de válvula, por exemplo. válvulas cardíacas biológicas.

Uma equipe de engenheiros do Grupo de Engenharia Cardiovascular do Centro ARTORG de Pesquisa em Engenharia Biomédica da Universidade de Berna identificou agora com sucesso um mecanismo que pode contribuir significativamente para a formação do coágulo. Eles usaram métodos matemáticos complexos da teoria da estabilidade hidrodinâmica, um subcampo da mecânica dos fluidos, que tem sido usado com sucesso por muitas décadas para desenvolver aeronaves com baixo consumo de combustível. Esta é a primeira tradução desses métodos, que combinam física e matemática aplicada, em medicina.

Usando complexas simulações de computador em supercomputadores emblemáticos no Centro Svizzero di Calcolo Scientifico em Lugano, a equipe de pesquisa foi capaz de mostrar que a forma atual das abas reguladoras de fluxo da válvula cardíaca leva a uma forte turbulência no fluxo sanguíneo. "Ao navegar pelos dados de simulação, descobrimos como o sangue incide na borda frontal das abas da válvula, e como o fluxo sanguíneo rapidamente se torna instável e forma vórtices turbulentos, "explica Hadi Zolfaghari, primeiro autor do estudo. "As fortes forças geradas neste processo podem ativar a coagulação do sangue e causar a formação de coágulos imediatamente atrás da válvula. Os supercomputadores nos ajudaram a detectar uma causa raiz da turbulência nessas válvulas, e a teoria da estabilidade hidrodinâmica nos ajudou a encontrar uma solução de engenharia para isso. "

As válvulas cardíacas mecânicas utilizadas no estudo consistem em um anel metálico e duas abas giratórias sobre dobradiças; as abas abrem e fecham a cada batimento cardíaco para permitir que o sangue flua para fora do coração, mas não de volta. No estudo, a equipe também investigou como a válvula cardíaca poderia ser melhorada. Ele mostrou que mesmo um design ligeiramente modificado das abas das válvulas permitia que o sangue fluísse sem gerar instabilidades que levassem à turbulência - mais como um coração saudável. Esse fluxo sanguíneo sem turbulência reduziria significativamente a chance de formação de coágulos e derrame.

Vida sem anticoagulantes?

Mais de 100, 000 pessoas por ano recebem uma válvula cardíaca mecânica. Por causa do alto risco de coagulação, todas essas pessoas devem tomar anticoagulantes, todos os dias, e para o resto de suas vidas. Se o design das válvulas cardíacas for melhorado do ponto de vista da mecânica dos fluidos, é concebível que os destinatários dessas válvulas não precisem mais de anticoagulantes. Isso pode levar a uma vida normal - sem o fardo duradouro de receber medicamentos para diluir o sangue. "O design das válvulas cardíacas mecânicas dificilmente foi adaptado desde seu desenvolvimento na década de 1970, "diz Dominik Obrist, chefe do grupo de pesquisa do Centro ARTORG. "Por contraste, muita pesquisa e desenvolvimento foram realizados em outras áreas da engenharia, como o design de aeronaves. Considerando quantas pessoas têm uma válvula cardíaca artificial, é hora de falar sobre otimizações de design também nesta área para dar uma vida melhor a essas pessoas. "

Grupo de pesquisa Engenharia Cardiovascular

O grupo de Engenharia Cardiovascular (CVE) da ARTORG estuda fluxos e doenças cardiovasculares, como doença cardíaca valvular e ataque cardíaco. Sua pesquisa visa melhorar a durabilidade a longo prazo e a biocompatibilidade de dispositivos e implantes terapêuticos e desenvolver novas ferramentas de diagnóstico para a prática clínica. Os projetos de pesquisa translacional CVE atendem às necessidades clínicas imediatas que foram identificadas junto com parceiros clínicos em Angiologia, Cardiologia e Cirurgia Cardiovascular em Inselspital, que estão intimamente integrados nas equipes de projeto do início ao fim. A equipe opera um laboratório de fluxo experimental com tecnologia de medição moderna e um laboratório computacional para modelar fluxos no coração e vasos sanguíneos. Suas instalações experimentais incluem câmeras de alta velocidade e métodos baseados em laser para quantificação de fluxo tridimensional. O grupo desenvolve e usa modelos de computador personalizados e supercomputadores para estudar sistemas de fluxo biomédico com interação fluido-estrutura.