I ricercatori della Penn State celebrano il successo dei test sulla pompa cardiaca

Jul 22, 2023

Immagini della pompa cardiaca percutanea. Credito: Penn State. Creative Commons

2 agosto 2013

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Un team di ricercatori della Penn State presso l'Applied Research Laboratory (ARL) e il Dipartimento di Scienza dei Materiali ha visto il dispositivo di assistenza ventricolare sinistra (LVAD), sviluppato tra il 2005 e il 2011, passare al suo primo test umano di successo a marzo .

Thoratec Corp., leader mondiale nelle terapie di supporto circolatorio meccanico per cardiopatie, ha concesso in licenza la tecnologia alla Penn State nel 2010. I LVAD sono progettati per assumere parzialmente la funzione di pompaggio di un cuore compromesso. In meno di tre anni, i componenti di progettazione preliminare, le strutture di prova e le tecniche di produzione sviluppate alla Penn State per costruire un prototipo di dispositivo sono stati evoluti da Thoratec fino al punto in cui il LVAD potrebbe essere testato sugli esseri umani.

"L'entusiasmo per il nostro team della Penn State è che la nostra ricerca è ormai sulla buona strada per salvare vite umane", ha affermato Rob Kunz, ricercatore dell'ARL e investigatore principale del progetto. "Gli obiettivi di progettazione per l'attuale HeartMate PHP (pompa cardiaca percutanea) erano scoraggianti: sviluppare una pompa sanguigna all'estremità di un catetere lungo e sottile abbastanza piccolo da poter essere inserito attraverso un'incisione nella coscia di un paziente e fatto scorrere attraverso il canale discendente dell'aorta al ventricolo sinistro per essere distribuito. Il PHP deve fornire una capacità di pompaggio del sangue sufficiente a sostenere un maschio adulto (circa 4,5 litri al minuto con una pressione di 60 mmHg) per diversi giorni, senza causare danni al cuore o al sangue si."

Molti LVAD a lungo termine disponibili in commercio richiedono l’apertura chirurgica della parete toracica per l’inserimento del dispositivo, una procedura complicata e traumatica. Gli obiettivi di progettazione per il dispositivo PHP a breve termine sono stati motivati ​​dal desiderio di una tecnologia di supporto acuto minimamente invasiva da inserire rapidamente. Il PHP è progettato per essere inserito, implementato e reso operativo entro pochi minuti dal paziente che soffre di infarto o altra condizione cardiaca acuta, prolungando potenzialmente la vita di decine di migliaia di persone ogni anno negli Stati Uniti.

Con questi requisiti, l'industria si è rivolta alla Penn State grazie alle forti capacità dell'Università nell'idrodinamica (progettazione, test e modellazione) e nella scienza dei materiali, entrambe tecnologie critiche in qualsiasi applicazione di pompe sanguigni. "Ci sono stati forniti essenzialmente i requisiti e un foglio di carta bianco", ha detto Kunz, "Non ci è voluto molto tempo prima di sviluppare il concetto di base: una girante pieghevole molto piccola, che gira molto rapidamente, alloggiata all'interno di una cannula pieghevole."

Lo sviluppo del concetto di questa piccola ma efficiente turbomacchina ha richiesto al team della Penn State di superare molteplici sfide. Un aspetto importante ha a che fare con la natura del fluido. Il LVAD funziona tramite una girante che pompa il sangue girando a circa 19.000 giri al minuto; ma non si può mettere il sangue in un frullatore – anche se piccolo – e aspettarsi che mantenga le caratteristiche fisiche e biologiche che gli consentono di trasportare ossigeno. Invece, le pale della girante dovevano essere progettate in modo da danneggiare minimamente i globuli rossi.

Un'altra sfida importante era che il materiale di cui sono realizzate le lame LVAD doveva essere sufficientemente flessibile da poter essere compresso all'interno di un catetere da 4 mm. Quella stessa elasticità significa che le pale si flettono sotto il carico del fluido quando girano. Pertanto, le pale dovevano essere progettate per compensare la deflessione preservando allo stesso tempo le prestazioni idrodinamiche desiderate. In terzo luogo, anche la cannula in cui gira la girante e che guida il flusso sanguigno attraverso la pompa doveva essere pieghevole: essenzialmente uno stent coperto con sufficiente integrità per supportare il pompaggio pur essendo abbastanza flessibile da ripiegarsi completamente in un catetere da 4 mm. .

Kunz ha affermato: "Si è trattato di uno sforzo di progettazione e sviluppo veramente multidisciplinare, che ha coinvolto esperti in scienza dei materiali, meccanica dei fluidi sperimentale, meccanica dei fluidi computazionale, progettazione ingegneristica, tecnologia dei cuscinetti, prototipazione rapida e controlli, nonché macchinisti e tecnici di test di integrazione. Noi abbiamo avuto anche l'entusiasmante opportunità di essere coinvolti in diverse tecnologie ben al di fuori delle nostre competenze principali, tra cui la fisiologia del sistema circolatorio, la meccanica/biochimica delle cellule del sangue, la sperimentazione animale e i materiali che sono "autorizzati" per l'uso nel corpo. Inoltre, nonostante il suo "design e Deliver', il progetto ha sostenuto una tesi di dottorato in ingegneria meccanica della Penn State sul tema della modellazione dell'interazione fluido-struttura."