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Jul 10, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5734 (2023) Citare questo articolo

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Per coloro che soffrono di insufficienza cardiaca biventricolare allo stadio terminale e nei casi in cui il trapianto di cuore non è un'opzione praticabile, un cuore artificiale totale (TAH) può essere utilizzato come ponte verso il dispositivo di trapianto. Il Realheart TAH è un cuore artificiale a quattro camere che utilizza una tecnica di pompaggio a spostamento positivo che imita il cuore nativo per produrre un flusso pulsatile governato da una coppia di valvole cardiache meccaniche a bileaflet. Lo scopo di questo lavoro era creare un metodo per simulare l'emodinamica nelle pompe ematiche a spostamento positivo, utilizzando la fluidodinamica computazionale con l'interazione fluido-struttura per eliminare la necessità di dati preesistenti sul movimento della valvola in vitro, e quindi utilizzarlo per studiare il prestazioni del Realheart TAH in una vasta gamma di condizioni operative. Il dispositivo è stato simulato in Ansys Fluent per cinque cicli con velocità di pompaggio di 60, 80, 100 e 120 bpm e con lunghezze di corsa di 19, 21, 23 e 25 mm. I componenti mobili del dispositivo sono stati discretizzati utilizzando un approccio di meshing overset, è stato utilizzato un nuovo algoritmo misto di accoppiamento debole-forte tra solutori fluidi e strutturali ed è stato utilizzato uno schema di step temporale variabile personalizzato per massimizzare l'efficienza e la precisione computazionale. Un modello Windkessel a due elementi approssimava una risposta di pressione fisiologica all'uscita. I risultati della portata volumetrica e della pressione del deflusso transitorio sono stati confrontati con esperimenti in vitro utilizzando un simulatore cardiovascolare ibrido e hanno mostrato un buon accordo, con errori quadratici medi massimi del 15% e del 5% rispettivamente per le portate e le pressioni. È stato simulato il washout ventricolare che ha mostrato un aumento all'aumentare della gittata cardiaca, con un valore massimo dell'89% dopo quattro cicli a 120 bpm 25 mm. È stata misurata anche la distribuzione dello sforzo di taglio nel tempo, dimostrando che non più del \(4,5\volte 10^{-4}\)% del volume totale superava 150 Pa con una gittata cardiaca di 7 L/min. Questo studio ha dimostrato che questo modello è accurato e robusto in un'ampia gamma di punti operativi e consentirà di intraprendere studi futuri rapidi ed efficaci sulle generazioni attuali e future del Realheart TAH.

L’insufficienza cardiaca (SC) colpisce più di 64 milioni di persone in tutto il mondo, con un aumento dei casi di quasi il 92% tra il 1990 e il 20171. Casi gravi di scompenso cardiaco (sintomi di classe IV della New York Heart Association2), come lo scompenso cardiaco biventricolare allo stadio terminale che colpisce entrambi i lati del cuore, richiedono il trapianto di cuore. Tuttavia, il numero di donatori di cuore disponibili è limitato e le liste di attesa per i trapianti continuano a crescere3. I medici possono ricorrere al supporto circolatorio meccanico (MCS) come mezzo per colmare il divario rispetto al trapianto, e il tipo di HF determina quale MCS può essere utilizzata. In caso di insufficienza ventricolare singola, è possibile utilizzare un dispositivo di assistenza ventricolare (VAD) per aiutare il ventricolo a pompare il sangue, tuttavia, in casi di HF biventricolare allo stadio terminale, un cuore artificiale totale (TAH), che sostituisce interamente la funzione di il cuore nativo, è più appropriato4.

Esistono due principali metodi di pompaggio dei dispositivi MCS: rotativo e volumetrico. I VAD più recenti sono dispositivi rotanti5,6,7. Questi contengono una singola girante rotante che fornisce energia cinetica al sangue che viene convertita in prevalenza dalle pale dello statore (in una pompa a flusso assiale) o da una voluta (in una pompa a flusso centrifugo). Le pompe rotative solitamente producono un flusso continuo, ma variando la velocità di rotazione della girante è possibile farle produrre una forma d'onda di flusso pulsatile. I TAH utilizzano solitamente un metodo di pompaggio a spostamento positivo, in cui il sangue viene spinto fuori dal dispositivo da una membrana o da una piastra di spinta, azionata elettricamente o pneumaticamente, per produrre un flusso pulsatile8,9,10. Anche le pompe rotative sono state utilizzate come TAH11,12 e le pompe volumetriche sono state utilizzate anche come VAD13,14,15,16. Sebbene i dispositivi a flusso continuo siano generalmente più piccoli delle pompe pulsatili e abbiano dimostrato di essere più robusti e affidabili rispetto alla prima tecnologia VAD a spostamento positivo, gli studi hanno dimostrato benefici fisiologici della pulsatilità, sia all'interno del dispositivo che in tutto il corpo17,18.