Investigadores de la Universidad de Minnesota, con el apoyo de Medtronic, han desarrollado un proceso innovador para la impresión 3D multimaterial de modelos reales de la válvula aórtica del corazón y las estructuras circundantes que imitan el aspecto y la sensación exactos de un paciente real.
Estos modelos de órganos específicos para cada paciente, que incluyen conjuntos de sensores blandos impresos en 3D e integrados en la estructura, se fabrican con tintas especializadas y un proceso de impresión 3D personalizado. Estos modelos pueden utilizarse en la preparación de procedimientos mínimamente invasivos para mejorar los resultados en miles de pacientes de todo el mundo.
La investigación se publica en Science Advances, una revista científica revisada por expertos y publicada por la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia (AAAS).
Los investigadores imprimieron en 3D lo que se denomina la raíz aórtica, la sección de la aorta más cercana y unida al corazón. La raíz aórtica está formada por la válvula aórtica y las aberturas para las arterias coronarias. La válvula aórtica tiene tres aletas, llamadas valvas, rodeadas por un anillo fibroso. El modelo también incluía parte del músculo del ventrículo izquierdo y la aorta ascendente.
«Nuestro objetivo con estos modelos impresos en 3D es reducir los riesgos y las complicaciones médicas proporcionando herramientas específicas para el paciente que ayuden a los médicos a comprender la estructura anatómica exacta y las propiedades mecánicas del corazón de cada paciente», dijo Michael McAlpine, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Minnesota e investigador principal del estudio. «Los médicos pueden probar y ensayar los implantes de válvulas antes del procedimiento real. Los modelos también pueden ayudar a los pacientes a comprender mejor su propia anatomía y el procedimiento en sí».
Este modelo de órgano se diseñó específicamente para ayudar a los médicos a prepararse para un procedimiento llamado reemplazo de válvula aórtica transcatéter (TAVR) en el que se coloca una nueva válvula dentro de la válvula aórtica nativa del paciente. El procedimiento se utiliza para tratar una afección llamada estenosis aórtica que se produce cuando la válvula aórtica del corazón se estrecha e impide que la válvula se abra completamente, lo que reduce o bloquea el flujo sanguíneo del corazón a la arteria principal. La estenosis aórtica es una de las afecciones cardiovasculares más comunes en las personas mayores y afecta a unos 2,7 millones de adultos mayores de 75 años en Norteamérica. El procedimiento TAVR es menos invasivo que la cirugía a corazón abierto para reparar la válvula dañada.
Los modelos de la raíz aórtica se fabrican utilizando tomografías computarizadas del paciente para que coincidan con su forma exacta. A continuación, se imprimen en 3D con tintas especializadas a base de silicona que se asemejan mecánicamente al tejido cardíaco real que los investigadores obtuvieron de los laboratorios Visible Heart de la Universidad de Minnesota. Las impresoras comerciales que existen actualmente en el mercado pueden imprimir en 3D la forma, pero utilizan tintas que suelen ser demasiado rígidas para igualar la suavidad del tejido cardíaco real.
En cambio, las impresoras 3D especializadas de la Universidad de Minnesota pudieron imitar tanto los componentes de tejido blando del modelo como la calcificación dura de las aletas de la válvula mediante la impresión de una tinta similar a la pasta de masilla que se utiliza en la construcción para reparar paneles de yeso y escayola.
Los médicos pueden utilizar los modelos para determinar el tamaño y la colocación del dispositivo valvular durante el procedimiento. Los sensores integrados que se imprimen en 3D dentro del modelo proporcionan a los médicos la retroalimentación electrónica de la presión que puede utilizarse para guiar y optimizar la selección y el posicionamiento de la válvula dentro de la anatomía del paciente.
Pero McAlpine no ve esto como el final del camino para estos modelos impresos en 3D.
«A medida que nuestras técnicas de impresión en 3D sigan mejorando y descubramos nuevas formas de integrar la electrónica para imitar la función de los órganos, los propios modelos podrán utilizarse como órganos artificiales de sustitución», dijo McAlpine, que ocupa la cátedra de la familia Kuhrmeyer en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Minnesota. «Algún día quizá estos órganos ‘biónicos’ puedan ser tan buenos o mejores que sus homólogos biológicos».
Además de McAlpine, el equipo incluía a los investigadores de la Universidad de Minnesota Ghazaleh Haghiashtiani, coprimer autor y recién doctorado en ingeniería mecánica que ahora trabaja en Seagate. Además de McAlpine, el equipo estaba formado por los investigadores de la Universidad de Minnesota Ghazaleh Haghiashtiani, cofundador y recién licenciado en ingeniería mecánica que ahora trabaja en Seagate; Kaiyan Qiu, otro cofundador y antiguo investigador postdoctoral en ingeniería mecánica que ahora es profesor adjunto en la Universidad Estatal de Washington; Jorge D. Zhingre Sánchez, antiguo estudiante de doctorado en ingeniería biomédica que trabajaba en los Laboratorios del Corazón Visible de la Universidad de Minnesota y que ahora es ingeniero superior de I+D en Medtronic; Zachary J. Fuenning, estudiante de posgrado de ingeniería mecánica; Paul A. Iaizzo, profesor de cirugía en la Facultad de Medicina y director fundador de los Laboratorios del Corazón Visible de la U de M; Priya Nair, científica senior en Medtronic; y Sarah E. Ahlberg, directora de investigación &tecnológica en Medtronic.
Esta investigación ha sido financiada por Medtronic, el Instituto Nacional de Imagen Biomédica y Bioingeniería de los Institutos Nacionales de Salud y la Iniciativa de Descubrimiento, Investigación e Innovación de Minnesota (MnDRIVE) a través del Estado de Minnesota. La Universidad de Minnesota proporcionó apoyo adicional mediante una beca de doctorado interdisciplinar y una beca de tesis doctoral concedida a Ghazaleh Haghiashtiani.
Para leer el artículo de investigación completo, titulado «Modelos de raíz aórtica impresos en 3D específicos para el paciente con sensores internos para aplicaciones mínimamente invasivas», visite el sitio web de Science Advances.