Il MIT (Massachusetts Institute of Technology) ha sviluppato un innovativo metodo di preparazione chirurgica mediante la stampa 3D di cuori robotici personalizzati per il paziente. Con questa tecnologia, i medici possono creare una replica morbida e flessibile del cuore del paziente che è in grado di adattarsi perfettamente alla forma e alla funzione specifiche del cuore. In questo modo, possono prepararsi ancora meglio per procedure complesse come la stenosi aortica.
Per creare il cuore robotico stampato in 3D, i ricercatori del MIT partono dalle immagini mediche del cuore del paziente che vengono poi convertite in un modello computerizzato tridimensionale. Questo modello viene quindi utilizzato per stampare il cuore utilizzando un inchiostro a base di polimeri, che conferisce alla replica la morbidezza e la flessibilità necessarie per imitare la capacità del cuore di pompare il sangue. Anche l’aorta, l’arteria principale che trasporta il sangue dal resto del corpo, potrebbe essere stampata in questo modo.
Per garantire che il cuore stampato in 3D funzioni nel modo più realistico possibile, il team utilizza dei polsini simili a quelli utilizzati per la pressione sanguigna. Questi polsini vengono avvolti attorno al cuore e all’aorta stampati e, quando collegati a un sistema pneumatico, imitano l’azione di pompaggio del cuore.
Questa tecnologia permette anche di simulare la stenosi aortica, una condizione in cui il cuore deve lavorare di più per far circolare il sangue nel corpo. I medici potrebbero utilizzare il cuore robotico stampato in 3D per impiantare una varietà di valvole e verificare quale progettazione è la migliore per il paziente.
I risultati del lavoro dei ricercatori del MIT sono stati pubblicati in un articolo intitolato “Modello idrodinamico paziente-specifico robotico morbido di stenosi aortica e rimodellamento ventricolare”. Grazie a questa tecnologia, i medici potrebbero essere in grado di prepararsi meglio e di personalizzare il trattamento per ogni paziente, offrendo una maggiore precisione e migliori risultati chirurgici.
Luca Rosalia, uno studente laureato nel programma MIT Harvard Health Sciences and Technology ha dichiarato:
“Ci sono enormi differenze tra i cuori, specialmente quando i pazienti sono malati. Il vantaggio del nostro sistema è che non solo possiamo replicare la forma del cuore di un paziente, ma anche la sua funzione nella fisiologia e nella malattia”.
L’articolo originale :
Le repliche personalizzate del cuore stampate in 3D sembrano e pompano proprio come la cosa reale
I modelli robotici morbidi sono specifici per il paziente e potrebbero aiutare i medici a concentrarsi sul miglior impianto per un individuo.
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.
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 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. 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.
Riproduci video
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 professoressa 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 da batticuore a casa.
“Ho ricreato l’intero sistema nella mia stanza del dormitorio quel 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 il cuore, 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.
“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 nell’addestramento preprocedurali”, osserva Wang, residente in chirurgia vascolare 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. Hanno utilizzato un inchiostro a base di polimeri che, una volta stampato e polimerizzato, può comprimersi e allungarsi, in modo simile a un vero cuore pulsante.
Come materiale di partenza, i ricercatori hanno utilizzato scansioni mediche di 15 pazienti con diagnosi di stenosi aortica. Il team ha convertito le immagini di ogni paziente in un modello computerizzato tridimensionale del ventricolo sinistro del paziente (la principale camera di pompaggio del cuore) e dell’aorta. Hanno inserito questo modello in una stampante 3D per generare un guscio morbido e anatomicamente accurato sia del ventricolo che del vaso.
Il team ha anche fabbricato maniche per avvolgere i moduli stampati. Hanno adattato le tasche di ciascuna manica in modo tale che, una volta avvolte attorno alle rispettive forme e collegate a un piccolo sistema di pompaggio dell’aria, le maniche potessero essere regolate separatamente per contrarre e restringere realisticamente i modelli stampati.
I ricercatori hanno dimostrato che per ogni modello di cuore, potevano ricreare accuratamente le stesse pressioni e flussi di pompaggio del cuore che erano stati precedentemente misurati in ciascun rispettivo paziente.
“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.
Facendo un ulteriore passo avanti, il team mirava a replicare alcuni degli interventi a cui sono stati sottoposti una manciata di pazienti, per vedere se il cuore e il vaso stampati rispondevano allo stesso modo. Alcuni pazienti avevano ricevuto impianti valvolari progettati per allargare l’aorta. Roche e i suoi colleghi hanno impiantato valvole simili nelle aorte stampate modellate su ciascun paziente. Quando hanno attivato il cuore stampato per pompare, hanno osservato che la valvola impiantata produceva flussi migliorati in modo simile a quelli dei pazienti reali dopo i loro impianti chirurgici.
Infine, il team ha utilizzato un cuore stampato attivato per confrontare impianti di diverse dimensioni, per vedere quale si sarebbe tradotto nella migliore vestibilità e flusso – qualcosa che immaginano che i medici potrebbero potenzialmente fare per i loro pazienti in futuro.
“I pazienti eseguirebbero l’imaging, cosa che fanno comunque, e lo useremmo per realizzare questo sistema, idealmente entro la giornata”, afferma il coautore Nguyen. “Una volta installato e funzionante, i medici potrebbero testare diversi tipi e dimensioni di valvola e vedere quale funziona meglio, quindi utilizzarla per l’impianto”.
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.
“La progettazione inclusiva per un’ampia gamma di anatomie e la sperimentazione di interventi in questa gamma possono aumentare la popolazione target indirizzabile per procedure minimamente invasive”, afferma Roche.
Questa ricerca è stata sostenuta, in parte, dalla National Science Foundation, dal National Institutes of Health e dal National Heart Lung Blood Institute.
Jennifer Chu | Ufficio stampa del MIT
