Valvole cardiache su misura in silicone stampate 3D: via ai primi test

Valvole cardiache stampate 3D in silicone realizzate su misura. A svilupparle sono stati i ricercatori del Politecnico Federale di Zurigo (ETH Zurigo), in collaborazione con l’azienda sudafricana Strait Access Technologies (SAT). Una soluzione che prevede diversi vantaggi e che, secondo i ricercatori, potrebbe aiutare a rispondere alla crescente richiesta di valvole cardiache. Tuttavia la strada per l’applicazione clinica è ancora lunga: ci vorranno almeno 10 anni prima di vedere questi dispositivi in azione.

“Questi esperimenti sono necessari per assicurarsi che la tecnologia abbia qualche possibilità di essere utilizzata in pazienti umani.” Ha sottolineato Fergal Coulter, primo autore dello studio.

Una problematica sempre crescente

Come sappiamo, il cuore umano è dotato di 4 valvole che garantiscono l’unidirezionalità del flusso sanguigno. Nel caso in cui queste subiscano un danno, potrebbe essere necessario ricorrere all’impianto di valvole artificiali. Nei prossimi decenni, la domanda di questo tipo di intervento chirurgico potrebbe aumentare drasticamente a causa di diversi fattori come l’invecchiamento della popolazione, la mancanza di esercizio fisico e la cattiva alimentazione. Si stima che nel 2050 saranno circa 20.000.000 le persone che richiederanno valvole cardiache artificiali.

Le attuali soluzioni

I cardiochirurghi tradizionalmente utilizzano impianti costituiti da polimeri rigidi o tessuti animali combinati con strutture metalliche. Per impedire al corpo di rigettare questi impianti, i pazienti devono assumere immunosoppressori o anticoagulanti per tutta la vita, che hanno significativi effetti collaterali indesiderati. Inoltre, queste valvole sostitutive sono molto rigide, il che rende difficile garantire una tenuta ermetica tra le nuove valvole ed il tessuto cardiaco.

Le valvole di ricambio attualmente utilizzate sono circolari, ma non corrispondono esattamente alla forma dell’aorta, che è diversa per ogni paziente

 

Afferma Manuel Schaffner, uno dei principali autori. Inoltre, produrre valvole cardiache artificiali è costoso e richiede tempo.

A cercare un’alternativa che potesse ovviare a queste problematiche sono stati i ricercatori della società sudafricana SAT, in collaborazione con il Politecnico federale di Zurigo, lo stesso istituto che nel Luglio 2017 aveva realizzato un cuore artificiale stampato 3D con un ciclo cardiaco molto simile ad un cuore umano.

I vantaggi della valvola in silicone

• Biocompatibilità, durevolezza e funzionalità migliorate

Il nuovo dispositivo stampato 3D presenta numerosi vantaggi rispetto alle valvole cardiache artificiali convenzionali. Per prima cosa, è possibile utilizzare le immagini ottenute tramite la tomografia computerizzata o la risonanza magnetica per creare valvole personalizzate dotate della forma e delle dimensioni della valvola che deve essere sostituita. Questo permette al dispositivo di adattarsi perfettamente alla camera cardiaca del paziente.  Inoltre, il materiale scelto, ovvero il silicone, è biocompatibile e molto robusto. L’obiettivo degli scienziati dei materiali è di estendere la durata di queste valvole di ricambio a 10-15 anni.

• Velocità di produzione

Anche i tempi di produzione sono notevolmente ridotti: secondo i ricercatori, è necessaria solo un’ora e mezza per produrre una valvola con la stampante 3D. La produzione potrebbe anche essere accelerata ulteriormente: una batteria di stampanti potrebbe, ad esempio, produrre dozzine o addirittura centinaia di valvole ogni giorno. Al contrario, la fabbricazione manuale di una valvola cardiaca artificiale da materiale bovino richiede diversi giorni lavorativi.

Il metodo di produzione

Il primo passo è quello di creare un’ impronta negativa della valvola. L’inchiostro siliconico viene spruzzato su questa impronta per formare una corona a tre punte, che costituisce i sottili lembi della valvola. Nel passaggio successivo, una stampante ad estrusione deposita una dura pasta di silicone per stampare sulla superficie della valvola dei filamenti sottili secondo una specifica trama. Questi filamenti corrispondono alle fibre di collagene che passano attraverso le valvole cardiache naturali.

Lo scopo dei filamenti è quello di rafforzare la valvola e di prolungarne la durata. La radice del vaso sanguigno collegato alla valvola cardiaca viene stampata mediante la stessa procedura e alla fine è coperta da uno stent, necessario per collegare la valvola in silicone al sistema cardiovascolare del paziente.

I ricercatori hanno utilizzato un modello digitale e una simulazione al computer per calcolare in anticipo le forze che agiscono sull’impianto e la sua potenziale deformazione.

I primi test hanno dato risultati molto positivi, ma prima di poter commercializzare il prodotto sarà necessario trovare un partner industriale. Coulter sta inoltre continuando a sperimentare nuovi materiali che potrebbero prolungare la vita delle valvole cardiache.

Per ulteriori dettagli è possibile consultare il paper “Bioinspired Heart Valve Prosthesis Made by Silicone Additive Manufacturing” pubblicato sulla rivista Matter.