Σοβαρά καρδιολογικά προβλήματα προκαλεί η ανεπάρκεια κάποιας βαλβίδας της καρδιάς, ασθένεια που συμβαίνει είτε λόγω καρδιοπάθειας εκ γενετής, είτε λόγω της επιβάρυνσης που προκαλεί ο χρόνος ή ο τρόπος ζωής.
Στην περίπτωση αυτή, η θεραπεία αφορά την αντικατάσταση ή την αποκατάσταση της βαλβίδας, επιλογή η οποία έχει συγκεκριμένο χρονικό ορίζοντα και απαιτεί χειρουργικές επεμβάσεις. Οι περισσότερες βαλβίδες αντικατάστασης, κατασκευάζονται από ζωικό ιστό και συνήθως διαρκούν 10 – 15 χρόνια. Γι΄ αυτό, τα παιδιά με βαλβιδοπάθειες έχουν να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα της ανάπτυξής τους, που οδηγεί στην ανάγκη για νέες επεμβάσεις όσο αυτά μεγαλώνουν.
Στην προσπάθεια να δοθεί μια μακροπρόθεσμη λύση στο πρόβλημα, ερευνητές της Georgia Tech ανέπτυξαν μια τρισδιάστατη εκτυπωμένη βιοαπορροφήσιμη καρδιακή βαλβίδα σχεδιασμένη να ταιριάζει στην ανατομία κάθε ασθενούς. Μόλις εμφυτευθεί, το σώμα απορροφά τη βαλβίδα και την αντικαθιστά με νέο ιστό που αναλαμβάνει τη λειτουργία της. Το έργο ξεκίνησε από τα εργαστήρια των Lakshmi Prasad Dasi και Scott Hollister στο Τμήμα Βιοϊατρικής Μηχανικής Wallace H. Coulter στο Georgia Tech του Πανεπιστημίου Emory.
Από τη στιγμή της ιδέας για το εμφύτευμα, χρειάζονται πολλές βελτιώσεις μέχρι να οριστικοποιηθούν οι παράμετροι σχεδίασης, υλικού και κατασκευής που έχουν αποτέλεσμα
H βιοαπορροφήσιμη βαλβίδα (κίτρινη) σε μια καρδιά τρισδιάστατης εκτύπωσης. Φωτό από την Catherine Barzler του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Georgia
«Αυτή η τεχνολογία είναι πολύ διαφορετική από τις περισσότερες καρδιακές βαλβίδες που υπάρχουν σήμερα. Απομακρυνόμαστε από τη χρήση συσκευών ζωικού ιστού που δεν διαρκούν και δεν είναι βιώσιμες, και οδηγούμαστε σε μια νέα εποχή όπου μια καρδιακή βαλβίδα μπορεί να αναγεννηθεί μέσα στον ασθενή», δήλωσε ο καθηγητής Βιοϊατρικής Μηχανικής του Georgia Tech Lakshmi Prasad Dasi.
Ο Χόλιστερ, καθηγητής Παιδιατρικής Τεχνολογίας, τόνισε τη σημασία αυτής της προσέγγισης για τα παιδιά. «Στην παιδιατρική, μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις είναι ότι τα παιδιά μεγαλώνουν και οι βαλβίδες της καρδιάς τους αλλάζουν μέγεθος με την πάροδο του χρόνου. Γι΄ αυτό, τα παιδιά υποβάλλονται σε πολλαπλές χειρουργικές επεμβάσεις για την επιδιόρθωση των βαλβίδων τους, ενόσω μεγαλώνουν. Με αυτή τη νέα τεχνολογία, ο ασθενής μπορεί ενδεχομένως να αναπτύξει νέο ιστό βαλβίδας και να μην χρειάζεται να ανησυχεί για πολλαπλές αντικαταστάσεις βαλβίδων στο μέλλον».
Ανάπτυξη και λειτουργικότητα
Η καρδιακή βαλβίδα χρησιμοποιεί πολυ(δωδεκανοδιοϊκή γλυκερόλη), ένα βιοσυμβατό, απορροφήσιμο υλικό με ιδιότητες μνήμης σχήματος. Μπορεί να διπλωθεί και να τοποθετηθεί μέσω καθετήρα αντί να απαιτείται χειρουργική επέμβαση ανοιχτής καρδιάς. Μόλις εμφυτευθεί, η βαλβίδα επιστρέφει στο αρχικό της σχήμα στη θερμοκρασία του σώματος και δίνει σήμα στο σώμα να δημιουργήσει νέο ιστό. Η συσκευή απορροφάται πλήρως μέσα σε λίγους μήνες.
«Από την αρχή, το όραμα του εγχειρήματος, ήταν να απομακρυνθεί από τον ενιαίο σχεδιασμό βαλβίδων, και να στραφούμε σε ένα εμφύτευμα εξειδικευμένο για τον κάθε ασθενή, το οποίο μάλιστα θα μπορεί να διαρκέσει περισσότερο από τα υπάρχοντα εμφυτεύματα», δήλωσε η Sanchita Bhat, ερευνήτρια στο εργαστήριο του Dasi.
«Από τη στιγμή της ιδέας για το εμφύτευμα, χρειάζονται πολλές βελτιώσεις μέχρι να οριστικοποιηθούν οι παράμετροι σχεδίασης, υλικού και κατασκευής που έχουν αποτέλεσμα», πρόσθεσε η Srujana Joshi, τεταρτοετής φοιτήτρια διδακτορικού στο εργαστήριο του Dasi.
Η ανθεκτικότητα της βαλβίδας βρίσκεται υπό αξιολόγηση με υπολογιστικά μοντέλα και εργαστηριακές μελέτες. Το εργαστήριο του Dasi διαθέτει ένα σύστημα προσομοίωσης καρδιάς που μιμείται την πραγματική φυσιολογία της καρδιάς, δοκιμάζοντας τη βαλβίδα κάτω από συνθήκες πίεσης και ροής ανάλογα με τον ασθενή. Ένα ξεχωριστό μηχάνημα αξιολογεί τη μηχανική αντοχή προσομοιώνοντας εκατομμύρια καρδιακούς κύκλους.
Ενώ η βιοαπορροφήσιμη καρδιακή βαλβίδα του Georgia Tech συνδυάζει την τρισδιάστατη εκτύπωση, τα βιοαπορροφήσιμα πολυμερή και τον εξατομικευμένο σχεδιασμό για τον κάθε ασθενή, διατηρεί τις αρχές άλλων τεχνολογιών μηχανικής ιστών και αναγέννησης που στοχεύουν στη μείωση των επαναλαμβανόμενων χειρουργικών επεμβάσεων και στην προώθηση της φυσικής επούλωσης.
Ήδη έχουν αναπτυχθεί βιοαπορροφήσιμες βαλβίδες καρδιάς που χρησιμοποιούν τη φυσική διαδικασία επούλωσης του σώματος για την αναγέννηση του ιστού της καρδιακής βαλβίδας. Αυτά τα εμφυτεύματα χρησιμεύουν ως ικρίωμα και απορροφώνται σταδιακά καθώς σχηματίζονται νέοι ιστοί.
Μελλοντικές εφαρμογές
Η ανάπτυξη ενός υλικού που εκτελεί τη λειτουργία της καρδιακής βαλβίδας ενώ προάγει την αναγέννηση των ιστών παρουσιάζει σημαντικές προκλήσεις. Οι ερευνητές στοχεύουν να καταστήσουν την τεχνολογία διαθέσιμη πρώτα για παιδιατρικούς ασθενείς, καθώς έχουν λιγότερες επιλογές θεραπείας.
Όμως τα ιατροτεχνολογικά προϊόντα πρέπει να υποβάλλονται σε εκτεταμένες μελέτες πριν εγκριθούν για κλινική χρήση.
«Ελπίζουμε ότι θα ξεκινήσουμε με τους παιδιατρικούς ασθενείς που μπορούν να επωφεληθούν από αυτή την τεχνολογία, στις περιπτώσεις που δεν υπάρχει άλλη θεραπεία διαθέσιμη για αυτούς», είπε ο Dasi και πρόσθεσε: «Έτσι ελπίζουμε με την πάροδο του χρόνου να δείξουμε ότι δεν υπάρχει λόγος να μην κατασκευάζονται όλες οι βαλβίδες με αυτόν τον τρόπο».
