Não há dois corações batendo iguais. O tamanho e a forma do coração podem variar de uma pessoa para outra. Essas diferenças podem ser particularmente pronunciadas para pessoas que vivem com doenças cardíacas, pois seus corações e vasos principais trabalham mais para superar qualquer função comprometida.
Os engenheiros do MIT esperam ajudar os médicos a adaptar os tratamentos à forma e função cardíacas específicas dos pacientes, com um coração robótico personalizado. A equipe desenvolveu um procedimento para imprimir em 3D uma réplica macia e flexível do coração de um paciente. Eles podem então controlar a ação da réplica para imitar a capacidade de bombeamento de sangue do paciente.
O procedimento envolve primeiro converter imagens médicas do coração de um paciente em um modelo de computador tridimensional, que os pesquisadores podem imprimir em 3D usando uma tinta à base de polímero. O resultado é uma concha macia e flexível no formato exato do coração do paciente. A equipe também pode usar essa abordagem para imprimir a aorta de um paciente a principal artéria que transporta o sangue do coração para o resto do corpo.
Para imitar a ação de bombeamento do coração, a equipe fabricou moldes semelhantes a manguitos de pressão arterial que envolvem um coração e uma aorta impressos. A parte inferior de cada molde se assemelha a um plástico bolha com padrão preciso. Quando o molde é conectada a um sistema pneumático, os pesquisadores podem ajustar o fluxo de ar para inflar ritmicamente as bolhas do molde e contrair o coração, imitando sua ação de bombeamento.
Os pesquisadores também podem inflar um molde separada em torno de uma aorta impressa para contrair o vaso. Essa constrição, dizem eles, pode ser ajustada para imitar a estenose aórtica – uma condição na qual a válvula aórtica se estreita, fazendo com que o coração trabalhe mais para forçar o sangue pelo corpo.
Os médicos geralmente tratam a estenose aórtica implantando cirurgicamente uma válvula sintética projetada para alargar a válvula natural da aorta. No futuro, a equipe diz que os médicos poderiam usar seu novo procedimento para primeiro imprimir o coração e a aorta de um paciente e, em seguida, implantar uma variedade de válvulas no modelo impresso para ver qual projeto resulta na melhor função e ajuste para aquele paciente em particular. As réplicas de coração também podem ser usadas por laboratórios de pesquisa e pela indústria de dispositivos médicos como plataformas realistas para testar terapias para vários tipos de doenças cardíacas.
“Todos os corações são diferentes”, diz Luca Rosalia, estudante de pós-graduação do Programa MIT-Harvard em Ciências e Tecnologia da Saúde. “Existem variações enormes, especialmente quando os pacientes estão doentes. A vantagem do nosso sistema é que podemos recriar não apenas a forma do coração de um paciente, mas também sua função tanto na fisiologia quanto na doença”.
Rosalia e seus colegas relatam seus resultados em um estudo publicado na Science Robotics. Os co-autores do MIT incluem Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang e Ellen Roche, juntamente com Benjamin Bonner, do Hospital Geral de Massachusetts, James Weaver, da Universidade de Harvard, e Christopher Nguyen, Rishi Puri e Samir Kapadia, da Cleveland Clinic. em Ohio.
Imprimir e bombear
Em janeiro de 2020, os membros da equipe, liderados pela professora de engenharia mecânica Ellen Roche, desenvolveram um “coração híbrido biorobótico” – uma réplica geral de um coração, feita de músculo sintético contendo pequenos cilindros infláveis, que eles podiam controlar para imitar as contrações de um coração batendo de verdade.
Logo após esses esforços, a pandemia de Covid-19 forçou o laboratório da Roche, junto com a maioria dos outros no campus, a fechar temporariamente. Implacável, Rosalia continuou aprimorando o design de tirar o fôlego em casa.
“Recriei todo o sistema no meu dormitório naquele mês de março”, lembra Rosalia.
Meses depois, o laboratório foi reaberto e a equipe continuou de onde parou, trabalhando para melhorar o controle do modelo cardíaca, que testaram em modelos animais e computacionais. Eles então expandiram sua abordagem para desenvolver modelos e réplicas de coração específicas para pacientes individuais. Para isso, eles recorreram à impressão 3D.
“Há muito interesse na área médica em usar a tecnologia de impressão 3D para recriar com precisão a anatomia do paciente para uso no planejamento e treinamento pré-procedimentos”, observa Wang, que é residente de cirurgia vascular no Beth Israel Deaconess Medical Center, em Boston.
Um design inclusivo
No novo estudo, a equipe aproveitou a impressão 3D para produzir réplicas personalizadas de corações de pacientes reais. Eles usaram uma tinta à base de polímero que, uma vez impressa e curada, pode apertar e esticar, semelhante a um coração batendo real.
Como material de origem, os pesquisadores usaram exames médicos de 15 pacientes diagnosticados com estenose aórtica. A equipe converteu as imagens de cada paciente em um modelo de computador tridimensional do ventrículo esquerdo do paciente (a principal câmara de bombeamento do coração) e da aorta. Eles colocaram esse modelo em uma impressora 3D para gerar uma concha macia e anatomicamente precisa do ventrículo e do vaso.
A equipe também fabricou moldes para envolver os formulários impressos. Eles adaptaram os bolsos de cada molde de forma que, quando enrolados em suas respectivas formas e conectados a um pequeno sistema de bombeamento de ar, os moldes pudessem ser ajustadas separadamente para contrair e contrair realisticamente os modelos impressos.
Os pesquisadores mostraram que, para cada modelo de coração, eles poderiam recriar com precisão as mesmas pressões e fluxos de bombeamento cardíaco medidos anteriormente em cada paciente respectivo.
“Ser capaz de igualar os fluxos e pressões dos pacientes foi muito encorajador”, diz Roche. “Não estamos apenas imprimindo a anatomia do coração, mas também replicando sua mecânica e fisiologia. Essa é a parte que nos entusiasma”.
Indo um passo além, a equipe teve como objetivo replicar algumas das intervenções a que alguns pacientes foram submetidos, para ver se o coração e o vaso impressos respondiam da mesma maneira. Alguns pacientes receberam implantes de válvula destinados a alargar a aorta. Roche e seus colegas implantaram válvulas semelhantes nas aortas impressas modeladas após cada paciente. Quando ativaram o coração impresso para bombear, observaram que a válvula implantada produzia fluxos melhorados de forma semelhante à dos pacientes reais após seus implantes cirúrgicos.
Por fim, a equipe usou um coração impresso acionado para comparar implantes de tamanhos diferentes, para ver qual resultaria no melhor ajuste e fluxo – algo que eles imaginam que os médicos poderiam fazer por seus pacientes no futuro.
“Os pacientes fariam suas imagens, o que eles fazem de qualquer maneira, e nós usaríamos isso para fazer este sistema, idealmente no mesmo dia”, diz o coautor Nguyen. “Assim que estiver funcionando, os médicos poderão testar diferentes tipos e tamanhos de válvulas e ver qual funciona melhor e, em seguida, usá-la para implantar”.
Por fim, a Roche diz que as réplicas específicas do paciente podem ajudar a desenvolver e identificar tratamentos ideais para indivíduos com geometrias cardíacas únicas e desafiadoras.
“Projetar inclusivamente para uma grande variedade de anatomias e testar intervenções em toda essa faixa pode aumentar a população-alvo endereçável para procedimentos minimamente invasivos”, diz Roche.
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Fonte: https://news.mit.edu/2023/custom-3d-printed-heart-replicas-patient-specific-0222
