As va¡lvulas protanãticas são projetadas para imitar uma va¡lvula carda­aca real e sauda¡vel, ajudando a circular o sangue pelo corpo. No entanto, muitos deles tem problemas como vazamento em torno da va¡lvula, e os engenheiros que trabalham para melhorar esses projetos devem testa¡-los repetidamente, primeiro em simuladores simples de bancada e depois em animais, antes de serem testados em humanos - um processo a¡rduo e caro.

Agora, os engenheiros do MIT e de outrospaíses desenvolveram um “coração” bia´nico que oferece um modelo mais realista para testar va¡lvulas artificiais e outros dispositivos carda­acos.

O dispositivo éum coração biola³gico real, cujo tecido muscular resistente foi substitua­do por uma matriz roba³tica macia de maºsculos carda­acos artificiais, semelhante a pla¡stico bolha. A orientação dos maºsculos artificiais imita o padrãodas fibras musculares naturais do coração, de modo que, quando os pesquisadores inflam remotamente as bolhas, eles agem em conjunto para apertar e torcer o coração interno, semelhante a  maneira como um coração real e verdadeiro bate e bombeia sangue.

Com esse novo design, que eles chamam de "coração ha­brido bioroba³tico", os pesquisadores imaginam que os projetistas e engenheiros de dispositivos podem iterar e ajustar os projetos mais rapidamente testando no coração bio-ha­brido, reduzindo significativamente o custo do desenvolvimento de dispositivos carda­acos.

"Os testes regulata³rios de dispositivos carda­acos exigem muitos testes de fadiga e testes em animais", diz Ellen Roche, professora assistente de engenharia meca¢nica do MIT. "[O novo dispositivo] pode representar realisticamente o que acontece em um coração real, para reduzir a quantidade de testes em animais ou repetir o design mais rapidamente".

Roche e seus colegas publicaram seus resultados hoje na revista Science Robotics. Seus co-autores são a autora principal e a estudante de pós-graduação do MIT Clara Park, juntamente com Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas e Xuanhe Zhao no MIT, juntamente com colaboradores da Nanyang Technology University, Royal College of Surgeons. em Dublin, Hospital Infantil de Boston, Harvard Medical School e Massachusetts General Hospital.

Antes de vir para o MIT, Roche trabalhou brevemente na indústria biomédica, ajudando a testar dispositivos carda­acos em modelos carda­acos artificiais no laboratório.

“Na anãpoca, eu não achava que nenhuma dessas configurações de bancada fosse representativa da anatomia e da biomeca¢nica fisiola³gica do coração”, lembra Roche. "Havia uma necessidade não atendida em termos de teste de dispositivos".

Em uma pesquisa separada, como parte de seu trabalho de doutorado na Universidade de Harvard, ela desenvolveu uma manga implanta¡vel e roba³tica, projetada para envolver todo um coração vivo, para ajuda¡-lo a bombear sangue em pacientes que sofrem de insuficiência carda­aca.

No MIT, ela e Park se perguntaram se poderiam combinar as duas vias de pesquisa, para desenvolver um coração ha­brido: um coração que éfeito em parte de tecido carda­aco explantado quimicamente preservado e em parte de atuadores artificiais macios que ajudam o coração a bombear sangue. Eles propunham que esse modelo deveria ser um ambiente mais realista e dura¡vel para testar dispositivos carda­acos, em comparação com modelos totalmente artificiais, mas que não capturam a anatomia complexa do coração ou são feitos de um coração real explantado, exigindo uma alta condições controladas para manter o tecido vivo.

A equipe considerou brevemente envolver um coração inteiro e explantado em uma manga roba³tica macia, semelhante ao trabalho anterior de Roche, mas percebeu que o tecido muscular externo do coração, o mioca¡rdio, rapidamente enrijeceu quando removido do corpo. Qualquer contração roba³tica pela manga falharia em traduzir o suficiente para o coração interno.

Em vez disso, a equipe procurou maneiras de projetar uma matriz roba³tica suave para substituir o tecido muscular natural do coração, tanto em material quanto em função. Eles decidiram experimentar sua idanãia primeiro no ventra­culo esquerdo do coração, uma das quatro ca¢maras do coração, que bombeia sangue para o resto do corpo, enquanto o ventra­culo direito usa menos força para bombear sangue para os pulmaµes.

"O ventra­culo esquerdo éo mais difa­cil de recriar, devido a s pressaµes operacionais mais altas, e gostamos de comea§ar com os difa­ceis desafios", diz Roche.

O coração normalmente bombeia o sangue apertando e torcendo, uma combinação complexa de movimentos que éresultado do alinhamento das fibras musculares ao longo do mioca¡rdio externo que cobre cada um dos ventra­culos do coração. A equipe planejava fabricar uma matriz de maºsculos artificiais que se assemelhavam a bolhas infla¡veis, alinhadas nas orientações do maºsculo carda­aco natural. Mas copiar esses padraµes estudando a geometria tridimensional de um ventra­culo mostrou-se extremamente desafiador.

Eles acabaram se deparando com a teoria da banda mioca¡rdica ventricular helicoidal, a idanãia de que o maºsculo carda­aco éessencialmente uma grande banda helicoidal que envolve os ventra­culos do coração. Essa teoria ainda éobjeto de debate por alguns pesquisadores, mas Roche e seus colegas a tomaram como inspiração para seu design. Em vez de tentar copiar a orientação das fibras musculares do ventra­culo esquerdo de uma perspectiva 3D, a equipe decidiu remover o tecido muscular externo do ventra­culo e desembrulha¡-lo para formar uma faixa longa e plana - uma geometria que deveria ser muito mais fa¡cil de recriar. Nesse caso, eles usaram o tecido carda­aco de um coração de porco explantado.

Em colaboração com Chris Nguyen, co-autor principal do MGH, os pesquisadores usaram imagens por tensores de difusão, uma técnica avana§ada que normalmente rastreia como a águaflui atravanãs da substância branca no cérebro, para mapear as orientações microsca³picas das fibras dasDimensões bidimensionais e desenroladas do ventra­culo esquerdo. banda muscular. Eles então fabricaram uma matriz de fibras musculares artificiais feitas de tubos de ar finos, cada um conectado a uma sanãrie de bolsas infla¡veis, ou bolhas, cuja orientação foi modelada após as fibras musculares imaginadas.

Os pesquisadores também desenvolveram um novo tipo de bioadesivo para colar o pla¡stico bolha no tecido intracarda­aco real do ventra­culo. Embora existam adesivos para ligar tecidos biola³gicos entre si e para materiais como silicone entre si, a equipe percebeu que poucos adesivos macios fazem um trabalho adequado para colar tecido biola³gico com materiais sintanãticos, em particular o silicone.

Assim, Roche colaborou com Zhao, professor associado de engenharia meca¢nica do MIT, especializado no desenvolvimento de adesivos a  base de hidrogel. O novo adesivo, chamado TissueSil, foi produzido funcionalizando o silicone em um processo qua­mico de reticulação, para se unir aos componentes do tecido carda­aco. O resultado foi um la­quido viscoso que os pesquisadores aplicaram na matriz roba³tica macia. Eles também escovaram a cola em um novo coração de porco explantado que teve seu ventra­culo esquerdo removido, mas suas estruturas endoca¡rdicas preservadas. Quando envolveram a matriz muscular artificial em torno desse tecido, os dois se uniram firmemente.

Por fim, os pesquisadores colocaram todo o coração ha­brido em um molde que já haviam fundido anteriormente, e preencheram o molde com silicone para envolver o coração em uma cobertura uniforme - uma etapa que produzia uma forma semelhante a uma verdadeira coração e garantiu que o inva³lucro roba³tico da bolha se ajustasse ao redor do ventra­culo real.

"Dessa forma, vocênão perde a transmissão de movimento do maºsculo sintanãtico para o tecido biola³gico", diz Roche.

Quando os pesquisadores bombearam o ar para o inva³lucro com bolhas de ar em frequências semelhantes a um coração que batia naturalmente e imaginaram a resposta do coração bia´nico, ele se contraiu de maneira semelhante a  maneira como um coração real se move para bombear sangue pelo corpo.

Por fim, os pesquisadores esperam usar o coração bia´nico como um ambiente realista para ajudar os designers a testar dispositivos carda­acos, como va¡lvulas carda­acas protanãticas.

"Imagine que um paciente antes da implantação do dispositivo carda­aco possa fazer a varredura do coração e, em seguida, os médicos poderiam ajustar o dispositivo para que ele funcione de maneira ideal antes da cirurgia", diz Nyugen. "Além disso, com mais engenharia de tecidos, podera­amos ver o coração ha­brido bioroba³tico ser usado como um coração artificial - uma solução potencial muito necessa¡ria, dada a epidemia global de insuficiência carda­aca, onde milhões de pessoas estãoa  mercaª de uma lista competitiva de transplante de coração".