Pesquisadores da Universidade de Minnesota, com o apoio da Medtronic, desenvolveram um processo inovador para a impressão 3D multimateriais de modelos realistas da válvula aórtica do coração e das estruturas circundantes que imitam o aspecto e a sensação exactos de um paciente real.
Estes modelos de órgãos específicos do paciente, que incluem matrizes de sensores macios impressos em 3D integrados na estrutura, são fabricados utilizando tintas especializadas e um processo de impressão 3D personalizado. Tais modelos podem ser usados na preparação de procedimentos minimamente invasivos para melhorar os resultados em milhares de pacientes em todo o mundo.
A pesquisa é publicada na revista Science Advances, uma revista científica revisada por pares publicada pela Associação Americana para o Progresso da Ciência (AAAS).
Os pesquisadores imprimiram em 3D o que é chamado de raiz aórtica, a seção da aorta mais próxima e presa ao coração. A raiz da aorta é composta pela válvula aórtica e as aberturas para as artérias coronárias. A válvula aórtica tem três abas, chamadas folhetos, circundadas por um anel fibroso. O modelo também incluiu parte do músculo do ventrículo esquerdo e da aorta ascendente.
“Nosso objetivo com esses modelos impressos em 3D é reduzir riscos e complicações médicas, fornecendo ferramentas específicas ao paciente para ajudar os médicos a entender a estrutura anatômica exata e as propriedades mecânicas do coração do paciente específico”, disse Michael McAlpine, professor de engenharia mecânica da Universidade de Minnesota e pesquisador sênior do estudo. “Os médicos podem testar e experimentar os implantes valvares antes do procedimento propriamente dito”. Os modelos também podem ajudar os pacientes a entender melhor sua própria anatomia e o procedimento em si”
Este modelo de órgão foi projetado especificamente para ajudar os médicos a se preparar para um procedimento chamado Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR), no qual uma nova válvula é colocada dentro da válvula aórtica nativa do paciente. O procedimento é usado para tratar uma condição chamada estenose aórtica que ocorre quando a válvula aórtica do coração se estreita e impede que a válvula se abra completamente, o que reduz ou bloqueia o fluxo de sangue do coração para a artéria principal. A estenose aórtica é uma das doenças cardiovasculares mais comuns em idosos e afeta cerca de 2,7 milhões de adultos com mais de 75 anos na América do Norte. O procedimento TAVR é menos invasivo do que a cirurgia cardíaca aberta para reparar a válvula danificada.
Os modelos de raiz aórtica são feitos usando tomografias computadorizadas do paciente para combinar a forma exata. Eles são então impressos em 3D usando tintas especializadas à base de silicone que mecanicamente combinam com a sensação de tecido cardíaco real que os pesquisadores obtiveram dos Laboratórios de Coração Visível da Universidade de Minnesota. As impressoras comerciais actualmente no mercado podem imprimir a forma em 3D, mas utilizam tintas que são muitas vezes demasiado rígidas para corresponderem à suavidade do tecido do coração real.
No flip side, as impressoras 3D especializadas da Universidade de Minnesota foram capazes de imitar tanto os componentes de tecido mole do modelo, como a calcificação dura nas abas das válvulas, imprimindo uma tinta semelhante à pasta espaçosa usada na construção para reparar drywall e gesso.
Os médicos podem usar os modelos para determinar o tamanho e a colocação do dispositivo de válvula durante o procedimento. Os sensores integrados que são impressos em 3D dentro do modelo dão aos médicos o feedback eletrônico de pressão que pode ser usado para orientar e otimizar a seleção e posicionamento da válvula dentro da anatomia do paciente.
Mas McAlpine não vê isto como o fim da estrada para estes modelos impressos em 3D.
“Como as nossas técnicas de impressão 3D continuam a melhorar e descobrimos novas formas de integrar a electrónica para imitar a função dos órgãos, os modelos em si podem ser usados como órgãos artificiais de substituição”, disse McAlpine, que detém a Cátedra da Cátedra Família Kuhrmeyer no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Minnesota. “Um dia talvez esses órgãos ‘biônicos’ possam ser tão bons ou melhores que seus equivalentes biológicos”
Além de McAlpine, a equipe incluiu Ghazaleh Haghiashtiani, pesquisador da Universidade de Minnesota, co-autor e um recente doutorado em engenharia mecânica. graduado que agora trabalha na Seagate; Kaiyan Qiu, outro co-autor e um ex-investigador de pós-doutorado em engenharia mecânica que agora é professor assistente na Universidade do Estado de Washington; Jorge D. Zhingre Sanchez, um ex-aluno de doutorado em engenharia biomédica que trabalhou nos Laboratórios do Coração Visível da Universidade de Minnesota que agora é um engenheiro sênior R&D na Medtronic; Zachary J. Fuenning, estudante de pós-graduação em engenharia mecânica; Paul A. Iaizzo, professor de cirurgia na Faculdade de Medicina e diretor fundador dos Laboratórios do Coração Visível da U de M; Priya Nair, cientista sênior da Medtronic; e Sarah E. Ahlberg, diretora de pesquisa & tecnologia na Medtronic.
Esta pesquisa foi financiada pelo Medtronic, Instituto Nacional de Imagens Biomédicas e Bioengenharia dos Institutos Nacionais de Saúde, e pela Iniciativa Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) através do Estado de Minnesota. Apoio adicional foi fornecido pela University of Minnesota Interdisciplinary Doctoral Fellowship and Doctoral Dissertation Fellowship concedido a Ghazaleh Haghiashtiani.
Para ler o artigo completo da pesquisa, intitulado “Modelos de raiz aórtica impressos em 3D específicos do paciente com sensores internos para aplicações minimamente invasivas”, visite o site Science Advances.