Logran imprimir en 3D réplica blanda y flexible del corazón de un paciente, bombea sangre como si fuera real

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Estos modelos robóticos blandos son específicos para cada paciente y podrían ayudar a los médicos a concentrarse en el mejor implante para un individuo.

No hay dos corazones que latan igual. El tamaño y la forma del corazón pueden variar de una persona a otra.

Estas diferencias pueden ser particularmente pronunciadas para las personas que viven con enfermedades cardíacas, ya que sus corazones y vasos principales trabajan más para superar cualquier función comprometida.

Ingenieros del MIT esperan ayudar a los médicos a adaptar los tratamientos a la forma y función específicas del corazón de los pacientes, con un corazón robótico personalizado.

El equipo ha desarrollado un procedimiento para imprimir en 3D una réplica blanda y flexible del corazón de un paciente.

Luego pueden controlar la acción de la réplica para imitar la capacidad de bombeo de sangre de ese paciente.

El procedimiento consiste en convertir primero las imágenes médicas del corazón de un paciente en un modelo informático tridimensional, que los investigadores pueden imprimir en 3D con una tinta a base de polímeros.

El resultado es una cubierta blanda y flexible con la forma exacta del propio corazón del paciente.

El equipo también puede usar este enfoque para imprimir la aorta de un paciente, la arteria principal que transporta la sangre desde el corazón al resto del cuerpo.

Para imitar la acción de bombeo del corazón, el equipo ha fabricado mangas similares a los manguitos de presión arterial que envuelven un corazón y una aorta impresos.

La parte inferior de cada manga se asemeja a un plástico de burbujas con un patrón preciso.

Cuando la manga está conectada a un sistema neumático, los investigadores pueden ajustar el aire que sale para inflar rítmicamente las burbujas de la manga y contraer el corazón, imitando su acción de bombeo.

Los investigadores también pueden inflar una manga separada que rodea una aorta impresa para contraer el vaso.

Esta constricción, dicen, se puede ajustar para imitar la estenosis aórtica, una condición en la que la válvula aórtica se estrecha, lo que hace que el corazón trabaje más para forzar la sangre a través del cuerpo.

Los médicos suelen tratar la estenosis aórtica implantando quirúrgicamente una válvula sintética diseñada para ensanchar la válvula natural de la aorta.

En el futuro, el equipo dice que los médicos podrían usar potencialmente su nuevo procedimiento para imprimir primero el corazón y la aorta de un paciente, luego implantar una variedad de válvulas en el modelo impreso para ver qué diseño resulta en la mejor función y ajuste para ese paciente en particular.

Los laboratorios de investigación y la industria de dispositivos médicos también podrían utilizar las réplicas del corazón como plataformas realistas para probar terapias para varios tipos de enfermedades cardíacas.

“Todos los corazones son diferentes”, dice Luca Rosalía, estudiante de posgrado en el Programa de Ciencias y Tecnología de la Salud del MIT-Harvard.

“Hay variaciones masivas, especialmente cuando los pacientes están enfermos.

La ventaja de nuestro sistema es que podemos recrear no solo la forma del corazón de un paciente, sino también su función tanto en fisiología como en enfermedad”.

En enero de 2020, los miembros del equipo, dirigidos por la profesora de ingeniería mecánica Ellen Roche, desarrollaron un “corazón híbrido biorobótico“, una réplica general de un corazón, hecha de músculo sintético que contiene pequeños cilindros inflables, que podían controlar para imitar las contracciones de un corazón que late de verdad.

Poco después de esos esfuerzos, la pandemia de Covid-19 obligó al laboratorio de Roche, junto con la mayoría de los demás en el campus, a cerrar temporalmente.

Sin inmutarse, Rosalía continuó modificando el diseño en casa.

“Recreé todo el sistema en mi dormitorio en marzo”, recuerda Rosalía.

Meses después, el laboratorio volvió a abrir y el equipo continuó donde lo dejó, trabajando para mejorar el control de la manga de bombeo del corazón, que probaron en modelos animales y computacionales.

Luego ampliaron su enfoque para desarrollar mangas y réplicas de corazón que son específicas para pacientes individuales. Para ello recurrieron a la impresión 3D.

“Hay mucho interés en el campo de la medicina en el uso de la tecnología de impresión 3D para recrear con precisión la anatomía del paciente para su uso en la planificación y capacitación previas al procedimiento”, señala Wang, quien es residente de cirugía vascular en el Centro Médico Beth Israel Deaconess en Boston.

En el nuevo estudio, el equipo aprovechó la impresión 3D para producir réplicas personalizadas de corazones de pacientes reales.

Usaron una tinta a base de polímeros que, una vez impresa y curada, puede apretarse y estirarse, de manera similar a un corazón real que late.

Como material de origen, los investigadores utilizaron exploraciones médicas de 15 pacientes diagnosticados con estenosis aórtica.

El equipo convirtió las imágenes de cada paciente en un modelo informático tridimensional del ventrículo izquierdo del paciente (la principal cámara de bombeo del corazón) y la aorta.

Introdujeron este modelo en una impresora 3D para generar una cubierta blanda y anatómicamente precisa tanto del ventrículo como del vaso.

El equipo también fabricó fundas para envolver los formularios impresos.

Adaptaron los bolsillos de cada manga de tal manera que, cuando se envuelven alrededor de sus respectivas formas y se conectan a un pequeño sistema de bombeo de aire, las mangas se pueden ajustar por separado para contraer y constreñir de manera realista los modelos impresos.

Los investigadores demostraron que para cada modelo de corazón, podían recrear con precisión las mismas presiones y flujos de bombeo del corazón que se midieron previamente en cada paciente respectivo.

“Poder igualar los flujos y las presiones de los pacientes fue muy alentador“, dice Roche.

“No solo estamos imprimiendo la anatomía del corazón, sino también replicando su mecánica y fisiología. Esa es la parte que nos emociona”.

Yendo un paso más allá, el equipo pretendía replicar algunas de las intervenciones a las que se sometieron un puñado de pacientes, para ver si el corazón y el vaso impresos respondían de la misma manera.

Algunos pacientes habían recibido implantes de válvulas diseñados para ensanchar la aorta.

Roche y sus colegas implantaron válvulas similares en las aortas impresas siguiendo el modelo de cada paciente.

Cuando activaron el corazón impreso para bombear, observaron que la válvula implantada producía flujos mejorados similares a los de los pacientes reales después de sus implantes quirúrgicos.

Finalmente, el equipo usó un corazón impreso accionado para comparar implantes de diferentes tamaños, para ver cuál daría como resultado el mejor ajuste y flujo, algo que imaginan que los médicos podrían hacer por sus pacientes en el futuro.

“Los pacientes obtendrían sus imágenes, lo que hacen de todos modos, y usaríamos eso para hacer este sistema, idealmente dentro del día”, dice el coautor Nguyen.

“Una vez que esté en funcionamiento, los médicos podrían probar diferentes tipos y tamaños de válvulas y ver cuál funciona mejor, y luego usar eso para implantar”.

En última instancia, Roche dice que las réplicas específicas del paciente podrían ayudar a desarrollar e identificar tratamientos ideales para personas con geometrías cardíacas únicas y desafiantes.

“Diseñar de manera inclusiva para una amplia gama de anatomías y probar intervenciones en este rango puede aumentar la población objetivo direccionable para procedimientos mínimamente invasivos”, dice Roche.

Fuente: MIT News