Valvole cardiache personalizzate in silicone

Il nostro cuore è composto da diversi ventricoli e atri, ognuno dei quali è dotato di una valvola cardiaca. Queste ultime agiscono come valvole e assicurano che il sangue scorra solo in una direzione. Tuttavia, se le valvole cardiache sono difettose, ristrette, dilatate o addirittura lacerate, il sangue torna a scorrere nei ventricoli o negli atri del cuore. Ciò mette a dura prova questo organo. Nel peggiore dei casi, può verificarsi un'aritmia cardiaca o un'insufficienza cardiaca.

A seconda della gravità del difetto valvolare, le valvole cardiache artificiali possono fornire un rimedio. Nei prossimi decenni, la domanda è destinata ad aumentare notevolmente in molte parti del mondo a causa dell'invecchiamento, della mancanza di esercizio fisico e della cattiva alimentazione. Nel 2050 circa 850.000 persone avranno bisogno di valvole cardiache artificiali.

Progettata e fabbricata digitalmente

I ricercatori del Fare all'ETH di Zurigo e dell'azienda sudafricana SAT hanno quindi cercato un'alternativa alle valvole cardiache sostitutive utilizzate oggi - e l'hanno trovata. Hanno sviluppato una valvola cardiaca artificiale in silicone, prodotta in più fasi con stampanti 3D. Chi siamo ha riferito di questo sviluppo nell'ultimo numero della rivista scientifica "Matter".

Il nuovo modello presenta diversi vantaggi rispetto a quelli esistenti: La valvola cardiaca in silicone è personalizzata perché i ricercatori hanno prima determinato la forma e le dimensioni individuali della valvola cardiaca che perde utilizzando la tomografia computerizzata o la risonanza magnetica. In questo modo è possibile stampare una valvola cardiaca che si adatti esattamente al paziente. I ricercatori utilizzano le immagini per creare un modello digitale a griglia e una simulazione al computer con cui possono calcolare in anticipo le forze e le deformazioni che agiscono sull'impianto. Il materiale è inoltre compatibile con l'organismo e il flusso sanguigno attraverso la valvola cardiaca in silicone è altrettanto buono di quello delle valvole sostitutive convenzionali.

Finora i cardiochirurghi hanno utilizzato modelli costituiti principalmente da parti metalliche o da tessuti animali provenienti da mucche. Affinché tali impianti siano tollerati, i pazienti devono assumere farmaci immunosoppressivi o anticoagulanti, con notevoli effetti collaterali indesiderati.

Inoltre, la geometria dei modelli precedenti è rigida. Ciò rende difficile per i chirurghi collegare le valvole cardiache artificiali "a tenuta stagna" alla circolazione sanguigna o al cuore. "Le valvole sostitutive di oggi sono rotonde, ma l'aorta non lo è. Ha una forma diversa in ogni persona. Ha una forma diversa in ogni persona", spiega Manuel Schaffner, uno dei primi autori dello studio e dottorando di André Studart, professore di materiali complessi. Infine, la produzione di valvole cardiache artificiali è costosa e richiede molto tempo.

I ricercatori possono evitare questi problemi con la nuova valvola cardiaca in silicone. I ricercatori sui materiali hanno bisogno di circa un'ora e mezza per produrre una valvola di questo tipo con una stampante 3D. La produzione manuale di una valvola cardiaca artificiale in materiale bovino, invece, richiede diversi giorni lavorativi. La produzione con le stampanti 3D potrebbe anche essere accelerata, il che significa che una batteria di stampanti potrebbe produrre da decine a centinaia di valvole ogni giorno.

Produzione rapida

Per prima cosa, gli scienziati creano un'impronta negativa del lembo. L'inchiostro siliconico viene spruzzato su questa impronta, che ha la forma di una corona a tre punte e produce le sottili ali del lembo. In un'ulteriore fase, una stampante a estrusione utilizza una pasta di silicone viscosa per stampare sulla sua superficie modelli specifici di fili sottili. Questi corrispondono alle fibre di collagene che attraversano le valvole cardiache naturali. I fili di silicone rinforzano i foglietti della valvola e prolungano la durata della valvola sostitutiva. La radice del vaso sanguigno collegato alla valvola cardiaca è stampata con lo stesso processo e ricoperta all'estremità da uno stent a forma di rete, necessario per collegare la valvola sostitutiva in silicone al flusso sanguigno reale.

I primi test hanno mostrato risultati promettenti per il funzionamento della valvola cardiaca. L'obiettivo dei ricercatori sui materiali è quello di aumentare la durata di queste valvole sostitutive a 10-15 anni. Questo è il tempo che i modelli attuali durano nei pazienti prima di dover essere sostituiti. "Sarebbe fantastico se un giorno potessimo produrre valvole cardiache che durano tutta la vita e che possibilmente crescano con il paziente, in modo da poter essere utilizzate anche nei giovani", afferma Schaffner.

Tuttavia, sono necessari almeno dieci anni prima che la loro valvola cardiaca artificiale possa essere utilizzata clinicamente. I prodotti devono superare con successo numerose fasi cliniche.

Partner industriali cercasi

Fergal Coulter, primo autore dello studio, sta attualmente lavorando per sviluppare ulteriormente la valvola cardiaca in silicone. "Tali prove sono necessarie affinché la tecnologia abbia qualche possibilità di essere utilizzata nell'uomo", sottolinea. Coulter è un ricercatore post-dottorando nel gruppo di Studart e ha sviluppato le stampanti 3D necessarie per stampare le valvole cardiache.

Coulter sta inoltre continuando a sperimentare nuovi materiali per prolungare la durata di vita delle valvole cardiache. Tuttavia, per portare la valvola cardiaca alla maturità del mercato, è necessario un partner industriale o, nella migliore delle ipotesi, un'apertura. "Purtroppo noi, come gruppo di ricerca, non possiamo offrire l'intera catena dal primo esperimento alla prima applicazione nel corpo umano", sottolinea Schaffner.