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Novo “coração biônico” poderá testar válvulas protéticas e outros dispositivos cardíacos

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Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

quarta-feira, 5 fevereiro 2020 19:10

Áreas

Biomecânica. Cardiologia. Engenharia Biomédica. Medicina.

Como a população de pessoas idosas deve aumentar na próxima década, o mesmo acontecerá com as taxas de doenças cardíacas. É previsto que a demanda por válvulas cardíacas protéticas e outros aparelhos cardíacos – um mercado avaliado em mais de 5 bilhões de dólares atualmente só nos Estados Unidos – aumente cerca de 13% nos próximos seis anos.

As válvulas protéticas são projetadas para imitar uma válvula cardíaca real e saudável , ajudam a circular o sangue pelo corpo. No entanto, muitos destes dispositivos têm problemas como vazamentos em torno da válvula e os engenheiros que trabalham para melhorar esses projetos devem testá-los repetidamente, primeiro em simuladores simples de bancada e depois em animais, antes de serem testados em humanos – um processo árduo e caro.

Neste cenário, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos – em colaboração com colegas da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura, do Royal College of Surgeons de Dublin, na Irlanda, do Hospital Boston’s Children’s, da Escola Médica da Universidade Harvard e do Hospital Geral de Massachusetts, também nos Estados Unidos – desenvolveram um “coração” biônico que oferece um modelo mais realista para testar válvulas artificiais e outros dispositivos cardíacos. Os resultados foram publicados na revista científica Science Robotics.

O dispositivo é um coração biológico real, cujo tecido muscular foi substituído por uma matriz robótica de músculos cardíacos artificiais. A orientação dos músculos artificiais imita o padrão das fibras musculares naturais do coração, de modo que o novo coração funciona de uma maneira semelhante a um coração real.

Com esse novo design, que eles chamam de “coração híbrido biorrobótico”, os pesquisadores imaginam que os projetistas e engenheiros de dispositivos possam ajustar os projetos mais rapidamente testando-os no coração bio-híbrido, reduzindo significativamente o custo do desenvolvimento de dispositivos cardíacos.

“Os testes regulatórios de dispositivos cardíacos exigem muitos testes de fadiga e testes em animais”, diz a Dra. Ellen Roche, professora de Engenharia Mecânica do MIT. “[O novo dispositivo] pode representar realisticamente o que acontece em um coração real, ajudando a reduzir a quantidade de testes em animais ou iteragir o projeto mais rapidamente”.

Detalhes do coração

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

Os cientistas acabaram encontrando a teoria da banda helicoidal miocárdica ventricular, a ideia de que o músculo cardíaco é essencialmente uma grande banda helicoidal que envolve os ventrículos. Essa teoria ainda é objeto de debate por alguns pesquisadores, mas a Dra. Roche e seus colegas a tomaram como inspiração para seu design. Em vez de tentar copiar a orientação das fibras musculares do ventrículo esquerdo de uma perspectiva 3D, a equipe decidiu remover o tecido muscular externo do ventrículo e “desembrulhá-lo” para formar uma banda longa e plana – uma geometria que deveria ser muito mais fácil de recriar. Nesse caso, eles usaram o tecido cardíaco de um coração de porco explantado.

Então, os pesquisadores usaram imagens por tensores de difusão, uma técnica avançada que normalmente rastreia como a água flui através da substância branca no cérebro, para mapear as orientações microscópicas das fibras bidimensionais do ventrículo esquerdo. Eles então fabricaram uma matriz de fibras musculares artificiais feitas de tubos de ar finos, cada um conectado a uma série de bolsas infláveis, ou bolhas, cuja orientação foi modelada de acordo com as fibras musculares.

Os pesquisadores colocaram todo o coração híbrido em um molde do coração original que eles haviam fundido anteriormente e preencheram o molde com silicone para envolver o coração híbrido em uma cobertura uniforme – uma etapa que produziu uma forma semelhante a um coração real e assegurou que o invólucro robótico da bolha se ajustasse ao redor do ventrículo real. “Dessa forma, você não perde a transmissão de movimento do músculo sintético para o tecido biológico”, explicou a Dra. Roche.

Quando os pesquisadores bombearam o ar para o invólucro com bolhas de ar em frequências semelhantes a um coração que batia naturalmente e observaram a resposta do coração biônico, viram que ele se contraiu de maneira semelhante à de um coração real.

“Imagine que antes da implantação de um dispositivo cardíaco em um paciente, seja feita a varredura do coração e, em seguida, os médicos possam ajustar o dispositivo para que ele funcione de maneira ideal antes da cirurgia. Além disso, com mais engenharia de tecidos, poderíamos ver o coração híbrido biorrobótico 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”, concluiu o Dr. Christopher Nyugen, pesquisador do Centro de Imagens Biomédicas de Harvard, que também participou do estudo.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do MIT (em inglês).

Fonte: Jennifer Chu, MIT News Office. Imagem: detalhe da matriz sintética de atuadores robóticos que podem ser enrolados em um ventrículo cardíaco e inflados para apertar e torcer o coração da mesma maneira que um coração real bombeia sangue. Fonte: Divulgação.

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