La nuova arteria stampata in 3D può monitorare i blocchi dall’interno
Quando i chirurghi sostituiscono parte di un vaso sanguigno – cosa che fanno in 450.000 pazienti all’anno negli Stati Uniti per curare coaguli di sangue, malattie coronariche, danni da ictus e altro – la nave innestata viene monitorata da scansioni TC, ultrasuoni e altre costose tecniche di imaging. Nonostante tutto questo sforzo, tra il 40% e il 50% di questi innesti falliscono.
Questo è uno dei motivi per cui gli ingegneri della scienza dei materiali dell’Università del Wisconsin-Madison stanno sviluppando un nuovo vaso sanguigno artificiale stampato in 3D che consente a medici e pazienti di tenere sotto controllo la propria salute da remoto.
La nave impiantabile, fatta di un composito flessibile e capace di monitoraggio in tempo reale, è descritta in un nuovo studio pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials dal professore UW-Madison Xudong Wang e dallo studente laureato Jun Li.
“Questo vaso artificiale può produrre impulsi elettrici basati sulla fluttuazione della pressione che sarà in grado di dire con precisione la pressione sanguigna nel vaso senza utilizzare alcuna fonte di energia aggiuntiva”, afferma Wang. “E grazie alla geometria 3D, il profilo degli impulsi elettrici sarà in grado di dire se c’è un movimento irregolare a causa di un blocco all’interno nelle primissime fasi.”
Il progetto dell’arteria deriva dall’interesse della ricerca a lungo termine di Wang nei confronti di nuovi materiali morbidi e flessibili che sono piezoelettrici (in grado di produrre una carica elettrica da stress meccanico) e biocompatibili (in grado di essere utilizzati nel corpo umano senza causare rigetto o danno).
Il team ha combinato nanoparticelle piezoceramiche di niobite di potassio sodico con un polimero fluoruro di polivinilidene ferroelettrico o in grado di invertire la polarità quando viene applicato un campo elettrico. Hanno quindi stampato un’arteria tubolare utilizzando il materiale e una stampante 3D standard. La stampante espelle il materiale attraverso un forte campo elettrico vicino all’ugello per polarizzare le particelle di ceramica, conferendo alla struttura la sua proprietà piezoelettrica.
Li ha messo alla prova l’arteria artificiale, collegandola a un sistema cardiaco artificiale prima di simulare blocchi, ipertensione e altri problemi che devono affrontare i vasi sanguigni artificiali. Il materiale autoalimentato è stato in grado di rilevare correttamente i cambiamenti di forza e pressione all’interno dell’arteria.
Il prossimo passo dei ricercatori è ottimizzare la produzione del nuovo composito ferroelettrico e il processo di stampa 3D. Il team vuole anche trovare modi per rendere la struttura 3D stampata ancora più sensibile, e prevede di collaborare con ricercatori nel campo biomedico per testare l’arteria con modelli ancora più realistici del sistema circolatorio.
Inoltre, sperano di utilizzare il nuovo materiale per stampare valvole cardiache artificiali. Le valvole cardiache sostitutive sono in genere meccaniche o prelevate da donatori umani o animali e nessuna incorpora il tipo di automonitoraggio trovato nel materiale di Wang. Il team, che comprende collaboratori della UW – Madison’s School of Medicine and Public Health e della Zhejiang University in Cina, ritiene che in futuro potrebbe essere possibile utilizzare il biomateriale ferroelettrico e la stampante 3D per creare altri organi artificiali personalizzati.
Mentre i ricercatori stanno lavorando su molti altri tipi di vasi sanguigni e organi artificiali, Wang pensa che questa tecnica abbia alcuni vantaggi rispetto a tecniche più complicate.
“Questa è una tecnologia semplice e scalabile”, afferma. “Il nostro nuovo materiale composito stampabile ci consente di realizzare una struttura 3D in un solo passaggio in grado di mostrare la multifunzionalità immediatamente fuori produzione.”
