Ricercatori dell’Università del Minnesota, con il supporto di Medtronic, hanno sviluppato un processo innovativo per la stampa 3D multi-materiale di modelli realistici della valvola aortica del cuore e delle strutture circostanti che imitano l’aspetto esatto di un paziente reale.
Questi modelli di organi specifici per il paziente, che includono array di sensori morbidi stampati in 3D integrati nella struttura, sono fabbricati utilizzando inchiostri specializzati e un processo di stampa 3D personalizzato. Tali modelli possono essere utilizzati in preparazione di procedure minimamente invasive per migliorare i risultati in migliaia di pazienti in tutto il mondo.
La ricerca è pubblicata su Science Advances, una rivista scientifica peer-reviewed pubblicata dall’American Association for the Advancement of Science (AAAS).
I ricercatori hanno stampato in 3D quella che viene chiamata la radice aortica, la sezione dell’aorta più vicina e collegata al cuore. La radice aortica consiste nella valvola aortica e le aperture per le arterie coronarie. La valvola aortica ha tre lembi, chiamati foglietti, circondati da un anello fibroso. Il modello comprendeva anche parte del muscolo del ventricolo sinistro e l’aorta ascendente.
“Il nostro obiettivo con questi modelli stampati in 3D è quello di ridurre i rischi medici e le complicazioni fornendo strumenti specifici del paziente per aiutare i medici a capire l’esatta struttura anatomica e le proprietà meccaniche del cuore del paziente specifico,” ha detto Michael McAlpine, un professore di ingegneria meccanica della University of Minnesota e ricercatore senior sullo studio. “I medici possono testare e provare gli impianti di valvole prima della procedura effettiva. I modelli possono anche aiutare i pazienti a capire meglio la propria anatomia e la procedura stessa.”
Questo modello di organo è stato specificamente progettato per aiutare i medici a prepararsi per una procedura chiamata una sostituzione della valvola aortica transcatetere (TAVR) in cui una nuova valvola viene inserita all’interno della valvola aortica nativa del paziente. La procedura viene utilizzata per trattare una condizione chiamata stenosi aortica che si verifica quando la valvola aortica del cuore si restringe e impedisce alla valvola di aprirsi completamente, che riduce o blocca il flusso di sangue dal cuore nell’arteria principale. La stenosi aortica è una delle condizioni cardiovascolari più comuni negli anziani e colpisce circa 2,7 milioni di adulti sopra i 75 anni in Nord America. La procedura TAVR è meno invasiva di un intervento a cuore aperto per riparare la valvola danneggiata.
I modelli di radice aortica sono realizzati utilizzando scansioni CT del paziente per abbinare la forma esatta. Essi vengono poi stampati in 3D utilizzando inchiostri specializzati a base di silicone che meccanicamente corrispondono alla sensazione di tessuto cardiaco reale i ricercatori ottenuti dall’Università del Minnesota Visible Heart Laboratories. Stampanti commerciali attualmente sul mercato possono stampare 3D la forma, ma utilizzare inchiostri che sono spesso troppo rigidi per abbinare la morbidezza del tessuto cardiaco reale.
Dal lato opposto, le stampanti 3D specializzate presso l’Università del Minnesota sono stati in grado di imitare sia i componenti del tessuto morbido del modello, così come la calcificazione dura sui lembi della valvola stampando un inchiostro simile alla pasta spackling utilizzato in costruzione per riparare il muro a secco e intonaco.
I medici possono utilizzare i modelli per determinare la dimensione e il posizionamento del dispositivo della valvola durante la procedura. I sensori integrati che sono stampati in 3D all’interno del modello danno ai medici il feedback elettronico della pressione che può essere utilizzato per guidare e ottimizzare la selezione e il posizionamento della valvola all’interno dell’anatomia del paziente.
Ma McAlpine non vede questa come la fine della strada per questi modelli stampati in 3D.
“Come le nostre tecniche di stampa 3D continuano a migliorare e scopriamo nuovi modi per integrare l’elettronica per imitare la funzione dell’organo, i modelli stessi possono essere utilizzati come organi artificiali di sostituzione”, ha detto McAlpine, che detiene la cattedra Kuhrmeyer Family nel dipartimento di ingegneria meccanica dell’Università del Minnesota. “Un giorno forse questi organi ‘bionici’ potranno essere buoni come o meglio delle loro controparti biologiche.”
Oltre a McAlpine, il team ha incluso i ricercatori dell’Università del Minnesota Ghazaleh Haghiashtiani, co-first author e un recente dottorato di ingegneria meccanica. laureato che ora lavora presso Seagate; Kaiyan Qiu, un altro co-autore e un ex ricercatore post-dottorato di ingegneria meccanica che ora è un assistente professore alla Washington State University; Jorge D. Zhingre Sanchez, un ex studente di dottorato di ingegneria biomedica che ha lavorato nei laboratori Visible Heart dell’Università del Minnesota che ora è un ingegnere senior R&D presso Medtronic; Zachary J. Fuenning, uno studente laureato in ingegneria meccanica; Paul A. Iaizzo, un professore di chirurgia nella Medical School e direttore fondatore della U di M Visible Heart Laboratories; Priya Nair, scienziato senior presso Medtronic; e Sarah E. Ahlberg, direttore della ricerca & tecnologia presso Medtronic.
Questa ricerca è stata finanziata da Medtronic, l’Istituto nazionale di imaging biomedico e bioingegneria del National Institutes of Health e il Minnesota Discovery, ricerca e economia InnoVation (MnDRIVE) iniziativa attraverso lo stato del Minnesota. Ulteriore supporto è stato fornito da University of Minnesota Interdisciplinary Doctoral Fellowship e Doctoral Dissertation Fellowship assegnato a Ghazaleh Haghiashtiani.
Per leggere l’intero documento di ricerca, intitolato “3D printed patient-specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications”, visitare il sito web Science Advances.