Los 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 desarrolló un procedimiento para imprimir en 3D una réplica suave y flexible del corazón de un paciente. Crédito: Melanie Gonick, MIT
Los modelos de corazón robótico blando son específicos para cada paciente y pueden ayudar a los médicos a encontrar el mejor implante para una persona.
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.
Los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) 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 desarrolló un procedimiento para imprimir en 3D una réplica suave y flexible del corazón de un paciente. Luego pueden controlar la acción de la réplica para imitar la capacidad de bombeo de sangre del paciente.
El procedimiento implica primero convertir imágenes médicas del corazón de un paciente en un modelo informático tridimensional, que los investigadores pueden imprimir en 3D utilizando una tinta a base de polímeros. El resultado es una cubierta suave y flexible con la forma exacta del 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 fabricó mangas similares a manguitos de presión arterial que rodean 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 flujo de aire 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 alrededor de una aorta impresa para contraer el vaso. Esa 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 impulsar la sangre a través del cuerpo.
La acción de los modelos robóticos blandos se puede controlar para imitar la capacidad de bombeo de sangre del paciente. Crédito: Melanie Gonick, MIT
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 su nuevo procedimiento para imprimir primero el corazón y la aorta de un paciente y 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 pueden usar réplicas de 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 grandes variaciones, 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 la fisiología como en la enfermedad».
Rosalía y sus colegas informan sus resultados en un estudio publicado hoy en Science Robotics. Los coautores del MIT incluyen a Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang y Ellen Roche, junto con Benjamin Bonner del Hospital General de Massachusetts, James Weaver de la Universidad de Harvard y Christopher Nguyen, Rishi Puri y Samir Kapadia, del Cleveland Clínica. en Ohio.
imprimir y bombear
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 estos 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 mejorando el impresionante diseño de su casa.
“Recreé todo el sistema en mi dormitorio en marzo”, recuerda Rosalía.
Meses después, el laboratorio volvió a abrir y el equipo retomó el trabajo donde lo había dejado, trabajando para mejorar el control de la manga cardíaca, que probaron en modelos animales y de computadora. Luego ampliaron su enfoque para desarrollar mangas específicas y réplicas de corazón 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 de un 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. .
un diseño inclusivo
En el nuevo estudio, el equipo aprovechó la impresión 3D para producir réplicas personalizadas de corazones de pacientes reales. Utilizaron una tinta a base de polímeros que, una vez impresa y curada, puede apretarse y estirarse, de forma similar a un corazón real que late.
Como material de origen, los investigadores utilizaron exámenes médicos 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 cámara de bombeo principal del corazón) y la aorta. Pusieron este modelo a través de una impresora 3D para generar una cubierta suave y anatómicamente precisa del ventrículo y el vaso.
El equipo también fabricó fundas para envolver los formularios impresos. Adaptaron los bolsillos de cada manga para que cuando se enrollaran en sus respectivas formas y se conectaran a un pequeño sistema de bombeo de aire, las mangas pudieran ajustarse por separado para contraer y contraer 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 cardíaco medidos 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 habían sometido algunos pacientes, para ver si el corazón y el vaso impresos respondían de la misma manera. Algunos pacientes recibieron implantes de válvulas diseñados para ensanchar la aorta. Roche y sus colegas implantaron válvulas similares en aortas impresas modeladas a partir 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 disparado impreso para comparar implantes de diferentes tamaños para ver cuál resultaría en 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 el mismo día», dice el coautor Nguyen. «Una vez que esté funcionando, los médicos podrán probar diferentes tipos y tamaños de válvulas y ver cuál funciona mejor y luego usarla para implantar».
En última instancia, Roche dice que las réplicas específicas del paciente pueden ayudar a desarrollar e identificar tratamientos óptimos para personas con geometrías cardíacas únicas y desafiantes.
“Diseñar de manera inclusiva para una amplia gama de anatomías y probar intervenciones en ese rango puede aumentar la población objetivo direccionable para procedimientos mínimamente invasivos”, dice Roche.
Referencia: «Modelo hidrodinámico robótico suave específico del paciente de estenosis aórtica y remodelación ventricular» por Luca Rosalia, Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie X. Wang, Benjamin Bonner, James C. Weaver, Rishi Puri, Samir Kapadia, Christopher T. Nguyen y Ellen T. Roche, 22 de febrero de 2023, Science Robotics.
DOI: 10.1126/scirobotics.ade2184
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud y el Instituto Nacional de Sangre Pulmonar y Corazón.
