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Un "cuore ibrido biorobotico" per testare valvole cardiache artificiali

Un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha realizzato un modello realistico di “cuore bionico” che integra sia i muscoli organici che i tessuti artificiali e biorobotici.  Questo nuovo cuore ibrido biorobotico, non ancora pensato per i pazienti, verrà utilizzato dai bioingegneri per testare nuovi dispositivi cardiaci, come gli impianti di valvole protesiche, pacemaker e defibrillatori senza l’esigenza di ricorrere a test sugli animali.

Una valvola cardiaca artificiale è un dispositivo impiantato nel cuore di un paziente per sostituire una valvola cardiaca nativa disfunzionale (cardiopatia valvolare).

I dati confermano che le valvole cardiache protesiche hanno salvato o migliorato sensibilmente la qualità della vita di molte persone, con circa 280.000 valvole installate in tutto il mondo ogni anno.

Con il progressivo invecchiamento della popolazione la domanda è destinata ad aumentare e la progettazione e il collaudo di tali valvole e altri dispositivi rappresentano una sfida importante per chi si occupa di ingegneria biomedica.

Le valvole protesiche hanno lo scopo di simulare una valvola cardiaca reale per aiutare a far circolare il sangue attraverso il corpo e il modello proposto dai ricercatori del MIT lo hanno definito "cuore ibrido biorobotico".

Gli studiosi ritengono inoltre che le loro scoperte, ancora in una fase sperimentale, potrebbero un giorno essere utilizzate per sviluppare cuori artificiali per l'uomo.

Roche e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Science RoboticsAn organosynthetic dynamic heart model with enhanced biomimicry guided by cardiac diffusion tensor imaging”, n.5 del 29 gennaio 2020. I suoi co-autori sono la principale autrice e studentessa laureata del MIT Clara Park, insieme a Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas e Xuanhe Zhao al MIT, insieme ai collaboratori della Nanyang Technology University, il Royal College of Surgeons a Dublino, l'ospedale pediatrico di Boston, la Harvard Medical School e il Massachusetts General Hospital (MGH).  

"cuore ibrido biorobotico"

Considerato che il cuore esegue una serie di movimenti molto complessi mentre si schiaccia e si attorciglia lungo il miocardio esterno , gli ingegneri del MIT hanno realizzato un miocardio robotico dove il  tessuto muscolare esterno del cuore è stato sostituito da una morbida matrice robotica di muscoli cardiaci artificiali simile ad un involucro di bolle ("muscoli artificiali pneumatici") che possono essere programmati per gonfiarsi e sgonfiarsi, analogamente alla compressione del vero muscolo cardiaco.

Lo hanno avvolto attorno al cuore interno di un maiale come un "involucro di bolle" usando un adesivo siliconico a base di idrogel chiamato TissueSil.

La dott.ssa Roche ha spiegato che: "Il dispositivo è un vero cuore biologico il cui duro tessuto muscolare è stato sostituito con una matrice robotica morbida di muscoli cardiaci artificiali, che ricorda l'involucro di bolle".

Un importante aspetto riguarda l'orientamento dei muscoli artificiali del miocardio robotico in grado di imitare il modello delle fibre muscolari naturali del cuore: quando i ricercatori provvedono a gonfiare a distanza le bolle, le stesse si attivano insieme per spremere e torcere il cuore interno analogamente al modo in cui un vero cuore intero batte e pompa il sangue.

Il dott. Chris Nyugen, del Centro di ricerca cardiovascolare del Massachusetts General Hospital e co-responsabile dello studio, ha dichiarato: “Con un'ulteriore ingegneria dei tessuti, potremmo potenzialmente vedere il cuore ibrido biorobotico essere usato come cuore artificiale - una potenziale soluzione molto necessaria dati i numerosi casi a livello globale di insufficienza cardiaca in cui milioni di persone sono in balia di un elenco per i trapianti di cuore ".

Il dott. Nyugen ha dichiarato: "Immagina che un paziente prima dell'impianto del dispositivo cardiaco possa farsi scansionare il cuore e quindi i medici potrebbero mettere a punto il dispositivo per eseguire in modo ottimale il paziente ben prima dell'intervento".

Il team ha posto attenzione allo studio di materiali nuovi e funzionalmente più adatti per progettare una matrice robotica morbida in grado di sostituire il tessuto muscolare naturale del cuore. 

In definitiva un cuore ibrido è realizzato in parte di tessuto cardiaco, espiantato chimicamente e, in parte, di attuatori artificiali morbidi che aiutano il cuore a pompare il sangue e in tal modo i ricercatori ritengono che il “cuore ibrido” dovrebbe rappresentare un ambiente più realistico al fine di poter testare i dispositivi cardiaci.

È altresì innovativo rispetto ai modelli completamente artificiali che non sono in grado di catturare l'anatomia complessa del cuore oppure fatti da un vero cuore espiantato che richiede condizioni attentamente controllate per mantenere vivo il tessuto.

Una grande sfida poiché il processo di progettazione di questi dispositivi è realmente complesso e una risposta potrebbe arrivare dai ricercatori del MIT: utilizzare i risultati della robotica in campo biomedico per aprire la strada a un cuore bionico, un modello convincente per testare le valvole protesiche e altri dispositivi cardiaci.

Immagine 1  Un primo piano di una matrice sintetica di attuatori robotici morbidi che possono essere avvolti attorno al ventricolo cardiaco e gonfiati per spremere e torcere il cuore allo stesso modo in cui un vero cuore pompa il sangue. Credit: Ellen Roche, et. Al

Immagine 2 Un muscolo cardiaco preservato (1) viene rimosso e sostituito con una matrice sintetica morbida (2). Le due strutture (tessuto cardiaco interno e matrice sintetica) (3) sono legate mediante un adesivo di nuova concezione, TissueSil (4). Il pezzo risultante è il cuore bioibrido contenente le strutture intracardiache preservate e il muscolo cardiaco sintetico (5). Immagine: Clara Park, et.Al

 

Fonte: Massachusetts Institute of Technology (MIT)

 

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    robotica applicata alla medicinarobotica per le tecnologie del futuro
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