Le valvole cardiache realizzate in pochi minuti controllano il flusso sanguigno

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video: questo è un video che mostra l'apertura e la chiusura di una valvola cardiaca sintetica (prodotta utilizzando Focused Rotary Jet Spinning).vedere di più

Crediti: Sarah Motta e Christophe Chantre

I ricercatori hanno sviluppato un metodo per produrre a basso costo valvole cardiache nell'arco di pochi minuti che siano funzionanti immediatamente dopo essere state impiantate nelle pecore. Gli scienziati chiamano il loro metodo "Focused Rotary Jet Spinning", che descrivono come "una macchina per lo zucchero filato con un asciugacapelli dietro". Sebbene siano necessari studi in vivo a lungo termine per testare la resistenza delle valvole, queste hanno controllato efficacemente il flusso sanguigno per un’ora nelle pecore. Il prototipo appare il 7 giugno sulla rivista Matter.

"I due grandi vantaggi del nostro metodo sono la velocità e la fedeltà spaziale", afferma il bioingegnere Michael Peters dell'Università di Harvard, uno dei primi autori dello studio. "Possiamo creare fibre davvero piccole, su scala nanometrica, che imitano la matrice extracellulare all'interno della quale le cellule delle valvole cardiache sono abituate a vivere e a crescere, e possiamo far girare valvole complete in pochi minuti, in contrasto con le tecnologie attualmente disponibili che possono richiedere settimane o mesi per realizzarlo."

Le valvole cardiache polmonari sono costituite da tre lembi parzialmente sovrapposti che si aprono e si chiudono ad ogni battito cardiaco. Sono responsabili del controllo del flusso sanguigno unidirezionale attraverso il cuore; ad ogni battito si aprono completamente per consentire al sangue di fluire in avanti, quindi si chiudono completamente per impedire al sangue di fluire all'indietro.

Per realizzare le valvole, i ricercatori utilizzano getti d’aria per dirigere il polimero liquido su un telaio a forma di valvola, creando una rete senza soluzione di continuità di minuscole fibre. Le valvole sono progettate per essere temporanee e rigenerative: forniscono un’impalcatura porosa in cui le cellule possono infiltrarsi, svilupparsi ed eventualmente sostituirsi man mano che il polimero si biodegrada.

"Le cellule operano su scala nanometrica e la stampa 3D non può arrivare a quel livello, ma la rotazione focalizzata del getto rotante può inserire segnali spaziali su scala nanometrica in modo che quando le cellule strisciano su quell'impalcatura, si sentono come se fossero in una valvola cardiaca, non in un'impalcatura sintetica", afferma Kit Parker, autore senior e bioingegnere dell'Università di Harvard. "C'è un certo inganno in gioco."

Il team ha testato la forza, l'elasticità e la capacità delle valvole di aprirsi e chiudersi ripetutamente utilizzando un duplicatore di impulsi, una macchina che simula il battito cardiaco.

"Una valvola cardiaca normale funziona per miliardi di cicli nel corso della vita, quindi viene costantemente tirata, allungata e stimolata", afferma Peters. "Devono essere molto elastici e mantenere la loro forma nonostante questi stimoli meccanici, e devono anche essere abbastanza forti da resistere alle contropressioni del sangue che cerca di fluire all'indietro."

Hanno anche coltivato cellule cardiache sulle valvole per testarne la biocompatibilità e per vedere quanto bene le cellule potevano infiltrarsi negli scaffold. "Le valvole sono a diretto contatto con il sangue, quindi dobbiamo verificare che il materiale non causi trombosi o ostruzione dei vasi sanguigni", afferma la biofisica Sarah Motta, l'altra prima autrice dello studio, che lavora all'Università di Harvard e all'Università di Harvard. di Zurigo.

Infine, i ricercatori hanno testato la funzionalità immediata delle valvole nelle pecore, che rappresentano un buon modello animale per diverse ragioni: le forze fisiche all'interno delle pecore e dei cuori umani sono simili, e i cuori delle pecore rappresentano anche un ambiente "estremo" per le valvole cardiache a causa della presenza delle pecore. metabolismo accelerato del calcio, che presenta un aumento del rischio di sviluppare depositi di calcio, una complicanza comune per i portatori di valvole cardiache.

I chirurghi hanno impiantato le valvole in due pecore e ne hanno monitorato la posizione e la funzione utilizzando gli ultrasuoni per un'ora. Entrambe le valvole sono state impiantate con successo ed erano immediatamente funzionanti, ma la valvola di una pecora si è spostata dopo pochi minuti: i ricercatori ritengono che ciò sia avvenuto perché non era della dimensione corretta per l'animale. Nella seconda pecora, la valvola ha mostrato una buona funzionalità per un'ora e l'analisi post mortem ha indicato che non vi erano complicazioni in termini di lacerazioni o formazione di trombi e che le cellule avevano già iniziato a infiltrarsi e ad aderire alla valvola.