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Sistemi Protesici Tessuti e Organi Artificiali

Verso il futuro delle protesi cardiache

Scritto da Mario Roberto

Negli ultimi anni sono stati raggiunti risultati notevoli con gli studi sulle protesi e con la tecnologia ad esse associata. Non per ultimi sono stati studiati e analizzati i problemi relativi al cuore. Infatti, in questi anni, vari team di ricercatori hanno lavorato per cercare di aiutare le persone affette da patologie riguardanti proprio quest’organo.

Tra presente e passato

A volte basta semplicemente far ricorso ad uno stent, a volte occorre impiantare una valvola cardiaca ma nei casi più gravi finora siamo stati abituati a vedere protesi invasive e spesso costituite da una componente esterna al corpo usata per l’alimentazione della protesi stessa, argomento che è anche sotto i riflettori degli studiosi impegnati a cercare di usare il battito stesso come fonte di alimentazione del pacemaker.

Fig.1: Esempi di pacemaker e ricostruzioni 3D del cuore e delle valvole cardiache

Purtroppo questi tipi di protesi, oltre alla componente estetica, hanno problemi di biocompatibilitá, cioè alcune volte non possono essere impiantate in alcuni soggetti per problemi di rigetto dei materiali, hanno il problema di essere sostituite dopo un certo periodo oppure semplicemente vanno sostituite le batterie. E se tutto questo fosse superato? Cioè, se potessimo avere un cuore artificiale che “batte”?

A gettare le basi per poter realizzare davvero un cuore con queste caratteristiche ci hanno pensato i ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica del CNR, dell’Università di Firenze e del Lens che lavorando insieme hanno sviluppato un innovativo materiale foto-responsivo, capace di riprodurre le proprietà meccaniche del cuore umano.

Abbiamo progettato e sintetizzato una vera e propria ‘palette’ di cristalli liquidi elastomerici capaci di contrarsi sotto stimolazione luminosa. Questi materiali sono stati caratterizzati meccanicamente come se fossero dei muscoli, con l’obbiettivo di identificare quelli con le proprietà più simili a quelle del nostro cuore.

spiega Camilla Parmeggiani del Lens e Unifi

La chimica del materiale

Per questo  lavoro sono stati selezionati LCE (elastomeri a cristalli liquidi) a base di acrilato, data la loro ottima biocompatibilità e la preparazione semplice e rapida mediante fotopolimerizzazione, metodo sintetizzato graficamente in Fig. 2. 

Fig. 2  (A) Vediamo illustrati in figura: le basi di acrilato ; (B) la catena polimerica ; (C) il foto iniziatore; (D) il gruppo esogeno e i gruppi reticolanti (E). Nella sezione (F), vediamo come sono stati disposti gli strati di materiale irradiati dalla luce.

Vediamo come funziona la tecnica con l’aiuto della Figura 2: gli LCE sono composti da un fotoiniziatore (Irgacure 369) che reagisce alla luce UV, da gruppi esogeni e da gruppi reticolanti, come vediamo rispettivamente in Fig. 2C, 2D e 2E. Questa complessa struttura polimerica è responsabile delle proprietà meccaniche degli elastomeri in questione e della loro non solubilità in solventi comuni (nel nostro caso, negli ambienti fisiologici). L’uso di questo materiale ha prodotto un effetto termico fotoindotto veloce e di breve durata e questo ha permesso di generare LCE con tempi di risposta inferiori al millisecondo. I campioni sono stati disposti sullo stesso piano (Fig. 1F), in modo da avere l’espansione del materiale nella direzione perpendicolare rispetto alla luce quando questo é irradiato dalla stessa.

Esempio di come si “contrae” e si “rilassa” il materiale in seguito all’irraggiamento da parte dei raggi UV

Preparazione del materiale

Le strisce LCE sono state montate isometricamente tra un trasduttore di forza e un piccolo motore, entrambi collegati a micromanipolatori (Fig. 3A). La contrazione delle strisce LCE è stata attivata con un’illuminazione limitata fornita da un laser a luce verde (0-200 mW / mm2), le strisce sono state quindi rilassate spegnendo la sorgente luminosa. In seguito sono stati preparati una serie di esperimenti per valutare la modulazione della contrazione della contrazione LCE prodotta da un ampio raggio di luce a LED in ambiente acquoso proprio per riprodurre le condizioni di lavoro del muscolo cardiaco all’interno dei liquidi corporei. I cambiamenti nell’intensità della luce hanno prodotto solo una leggera variazione nei tempi di attivazione della contrazione senza variazioni sulla cinetica di rilassamento. Infine i muscoli cardiaci e le strisce LCE sono stati collegati a lavorare in parallelo alle trabecole ventricolari del cuore, stabilizzate in una soluzione fisiologica e stimolate a 1 Hz attraverso elettrodi esterni. Quando l’illuminazione è stata accesa (LCE-on, colpiti da una sorgente LED con un’intensità di 1,5 mW / mm2) il lavoro meccanico aggiuntivo svolto dall’LCE ha riscontrato i livelli di tensione di contrazione massima a 100 mN / mm2 o superiore (mentre quelle del muscolo cardiaco normale raggiungono valori poco superiori ai 20 mN/mm2) (Fig. 3B e 3C). L’andamento del tempo di contrazione nelle condizioni LCE-on e LCE-off era simile anche con un’alta frequenza di stimolazione (Figura 3D), suggerendo che la cinetica di contrazione delle strisce LCE è veloce da non ostacolare lo sviluppo della forza e il rilassamento del muscolo nativo, cioé non ostacola la naturale sistole e diastole del cuore e quindi non si hanno complicazioni nel normale battito.

Fig.3: LCE montato tra motore e trasduttore di forza (A); grafici che illustrano la risposta del materiale in funzione dello scorrere del tempo (B), i valori della tensione raggiunti (C), e la frequenza della contrazione (C) al variare della luce accesa (viola) e spenta /grigia.

Cosa c’è da migliorare

Durante gli esperimenti a lungo termine eseguiti con un’illuminazione laser a intensità costante, non in ambiente acquoso, l’ampiezza della contrazione è diminuita del 68% dopo 24 giorni. Tale decadimento potrebbe essere risolto aumentando progressivamente la potenza della luce nel tempo (di alcuni mW / mm2), mantenendo i livelli di tensione costanti per l’intero periodo di 30 giorni, senza cambiamenti nella cinetica di contrazione. Questo suggerisce che il decadimento della tensione osservato era probabilmente correlato al fotobleaching (si intende la diminuzione della fluorescenza di un campione dovuta alla degradazione fotochimica) del colorante organico. Tale riduzione meccanica del materiale associata a questo fenomeno è stata superata usando un potenza di irraggiamento della luce maggiore che ha permesso all’LCE di contrarsi per un numero notevole di cicli (circa 2 milioni, ad oggi) senza alcuna perdita di prestazione meccanica.

Verso il futuro

L’assenza di decadimento della tensione in un esperimento a lungo termine suggerisce che l’LCE potrebbe contrarsi efficacemente per tempi molto lunghi (forse anni) in condizioni fisiologiche e quindi tali materiali potrebbero essere considerati per un impianto a lungo termine come dispositivi di supporto cardiaco. Questi risultati aprono la strada a una nuova generazione di dispositivi di assistenza alla contrazione basati su LCE attraverso lo sviluppo di prototipi più complessi come camere artificiali aggiuntive. Alcuni esempi potrebbero essere la progettazione di sfinteri muscolari artificiali o di tratti gastrointestinali, nonché di muscoli scheletrici artificiali.


Fonti ed approfondimenti


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Informazioni autore

Mario Roberto

Studente di ingegneria biomedica a Pisa. Interessato a tutto ciò che riguarda la tecnologia e soprattutto alle innovazioni, frutto della ricerca in campo biomedico

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