Cuore robotico stampato in 3D per personalizzare i trattamenti

Cuore robotico-Immagine Credito: Melanie Gonick, MIT-

Gli ingegneri del MIT sperano di aiutare i medici ad adattare i trattamenti alla forma e alla funzione cardiaca specifiche dei pazienti, con un cuore robotico personalizzato. Il team ha sviluppato una procedura per stampare in 3D una replica morbida e flessibile del cuore di un paziente.

I modelli di cuore robotico morbido sono specifici per il paziente e potrebbero aiutare i medici a concentrarsi sul miglior impianto per un individuo.

Non esistono due cuori che battono allo stesso modo. Le dimensioni e la forma del cuore possono variare da persona a persona. Queste differenze possono essere particolarmente pronunciate per le persone che vivono con malattie cardiache, poiché i loro cuori e vasi principali lavorano di più per superare qualsiasi funzione compromessa.

Gli ingegneri del Massachusetts Institute of Technology ( MIT ) sperano di aiutare i medici ad adattare i trattamenti alla forma e alla funzione cardiaca specifica dei pazienti, con un cuore robotico personalizzato. Il team ha sviluppato una procedura per stampare in 3D una replica morbida e flessibile del cuore di un paziente. I ricercatori possono quindi controllare l’azione della replica per imitare l’abilità di pompaggio del sangue di quel paziente.

La procedura prevede prima la conversione delle immagini mediche del cuore di un paziente in un modello computerizzato tridimensionale, che i ricercatori possono quindi stampare in 3D utilizzando un inchiostro a base di polimeri. Il risultato è un guscio morbido e flessibile della forma esatta del cuore del paziente. Il team può anche utilizzare questo approccio per stampare l’aorta di un paziente, l’arteria principale che trasporta il sangue dal cuore al resto del corpo.

Per imitare l’azione di pompaggio del cuore, il team ha fabbricato maniche simili a polsini per la pressione sanguigna che avvolgono un cuore e un’aorta stampati. La parte inferiore di ogni manica ricorda un pluriball modellato con precisione. Quando la manica è collegata a un sistema pneumatico, i ricercatori possono regolare l’aria in uscita per gonfiare ritmicamente le bolle della manica e contrarre il cuore, imitando la sua azione di pompaggio.

I ricercatori possono anche gonfiare un manicotto separato che circonda un’aorta stampata per restringere il vaso. Questa costrizione, dicono, può essere sintonizzata per imitare la stenosi aortica, una condizione in cui la valvola aortica si restringe, costringendo il cuore a lavorare di più per forzare il sangue attraverso il corpo.

I medici trattano comunemente la stenosi aortica impiantando chirurgicamente una valvola sintetica progettata per allargare la valvola naturale dell’aorta. In futuro, il team afferma che i medici potrebbero potenzialmente utilizzare la loro nuova procedura per stampare prima il cuore e l’aorta di un paziente, quindi impiantare una varietà di valvole nel modello stampato per vedere quale design si traduce nella migliore funzionalità e adattamento per quel particolare paziente. Le repliche del cuore potrebbero anche essere utilizzate dai laboratori di ricerca e dall’industria dei dispositivi medici come piattaforme realistiche per testare terapie per vari tipi di malattie cardiache.

“Tutti i cuori sono diversi”, afferma Luca Rosalia, uno studente laureato al MIT-Harvard Program in Health Sciences and Technology. “Ci sono enormi variazioni, soprattutto quando i pazienti sono malati. Il vantaggio del nostro sistema è che possiamo ricreare non solo la forma del cuore di un paziente, ma anche la sua funzione sia nella fisiologia che nella malattia.

Rosalia e i suoi colleghi riportano i loro risultati in uno studio apparso oggi su Science Robotics. I coautori del MIT includono Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang ed Ellen Roche, insieme a Benjamin Bonner del Massachusetts General Hospital, James Weaver dell’Università di Harvard e Christopher Nguyen, Rishi Puri e Samir Kapadia della Cleveland Clinic nell’Ohio.

Stampa e pompa

Nel gennaio 2020, i membri del team, guidati dalla Prof.ssa di ingegneria meccanica Ellen Roche, hanno sviluppato un “cuore ibrido biorobotico”, una replica generale di un cuore, realizzata con muscoli sintetici contenenti piccoli cilindri gonfiabili, che potevano controllare per imitare le contrazioni di un vero cuore pulsante.

Poco dopo questi sforzi, la pandemia di Covid-19 ha costretto il laboratorio di Roche, insieme alla maggior parte degli altri nel campus, a chiudere temporaneamente. Imperterrita, Rosalia ha continuato a modificare il design lavorando da casa. “Ho ricreato l’intero sistema nella mia stanza a marzo”, ricorda Rosalia.

Mesi dopo, il laboratorio ha riaperto e il team ha continuato da dove si era interrotto, lavorando per migliorare il controllo della manica che pompa come il cuore e che hanno testato su modelli animali e computazionali. Hanno quindi ampliato il loro approccio per sviluppare manicotti e repliche cardiache specifiche per i singoli pazienti. Per questo, si sono rivolti alla stampa 3D.

Vedi anche:Cuore robotico per sostituire i trapianti umani all’orizzonte

“C’è molto interesse in campo medico nell’utilizzo della tecnologia di stampa 3D per ricreare accuratamente l’anatomia del paziente da utilizzare nella pianificazione e nella formazione preprocedurali”, osserva Wang, che è un chirurgo vascolare residente presso il Beth Israel Deaconess Medical Center di Boston.

Un design inclusivo

Nel nuovo studio, il team ha sfruttato la stampa 3D per produrre repliche personalizzate dei cuori dei pazienti reali. I ricercatori hanno usato un inchiostro a base di polimeri che, una volta stampato e polimerizzato, può comprimersi e allungarsi, in modo simile a un vero cuore pulsante.

“Essere in grado di abbinare i flussi e le pressioni dei pazienti è stato molto incoraggiante”, afferma Roche. “Non stiamo solo stampando l’anatomia del cuore, ma anche replicandone la meccanica e la fisiologia. Questa è la parte di cui siamo entusiasti”. In definitiva, Roche afferma che le repliche specifiche del paziente potrebbero aiutare a sviluppare e identificare trattamenti ideali per individui con geometrie cardiache uniche e impegnative.

Fonte: Science Robotics