Tecnología de impresión 3D para modelos de válvulas cardíacas personalizadas

Investigadores del Georgia Institute of Technology y el Piedmont Heart Institute en Estados Unidos realizan exitosa investigación en la aplicación de tecnología de impresión 3D avanzada para obtener modelos de válvulas cardiácas para experimentación previa a implantaciones y así obtener las prótesis de válvula cardíaca correctas para cada paciente.

Las prótesis de válvula cardiaca diseñadas por los investigadores imitan las capacidades fisiológicas de las válvulas reales. Las válvulas cardiacas protésicas son utilizadas para reemplazar las válvulas humanas y constan de un orificio que permite el flujo de sangre, también cuentan con un mecanismo oclusor para abrir y cerrar el orificio.

El objetivo de este desarrollo es mejorar la tasa de éxito en las operaciones de implante de válvula aórtica transcatéter mediante experimentación adecuada a las necesidades personales en cuanto a dimensión. De esta forma se pretende  evitar o disminuir complicaciones posteriores a la implantación de la prótesis como la fuga paravalvular.

La fuga paravalvular es un problema en el funcionamiento y adaptación de la prótesis de válvula que se presenta después de la cirugía de reemplazo, en el cual la sangre además de pasar por el interior de la válvula, atraviesa el orificio de la misma de forma incorrecta. “La fuga paravalvular es un indicador extremadamente importante en que tan bien el paciente estará a largo del tiempo con su nueva válvula”, explicó Zhen Qian, jefe del departamento Cardiovascular Imaging Research del Piedmont Heart Institute.

La necesidad de atender este problema es lo que generó interés en el equipo de científicos que pretenden crear modelos específicos de cada paciente simulando el tejido en tecnología 3D para después generar pruebas y experimentación de forma que se pueda conocer o predecir posibles fugas.

Estas pruebas realizadas a partir de modelos creados con el uso de imágenes computarizadas del corazón de los pacientes mostraron un comportamiento similar al que se presentaría en un corazón real y que podría  ayudar en gran medida a predecir fugas y fallas en las prótesis valvulares.

Modelos de prótesis con tecnología de impresión 3D

Los modelos de prótesis en esta investigación son creados mediante tecnología de impresión 3D con metamateriales, que permite a los investigadores tener el control de parámetros del diseño, como el diámetro y la longitud de onda de la curva del metamaterial para imprimir, y así lograr un resultado muy parecido a las propiedades fisiológicas del tejido humano. Un ejemplo de esto es la capacidad de estas prótesis de recrear la deposición de calcio que es un factor subyacente común de la estenosis aórtica, la rigidez de la pared arterial y otros aspectos únicos del corazón humano.

«Los métodos anteriores usaban impresoras 3D y un solo material para crear modelos de órganos humanos limitados a las propiedades fisiológicas del material utilizado. Nuestro método para crear estos modelos utilizando el diseño en metamaterial e impresión 3D multi-material ofrece el comportamiento mecánico de las válvulas cardiacas imitando el comportamiento natural de tensión-rigidez de los tejidos blandos que proviene de la interacción entre la elastina y el colágeno, dos proteínas que se encuentran en las válvulas cardíacas«, explicó Chuck Zhang, profesor de la Stewart School of Industrial and Systems Engineering en Georgia Tech.

Fuente: Georgia Tech

Este comportamiento se ha logrado a través de combinar microestructuras onduladas y rígidas en un material más blando durante el proceso de impresión.

Los investigadores crearon modelos de válvulas cardíacas de 18 pacientes sometidos a cirugía de reemplazo de válvula. Los modelos fueron acondicionados con docenas de detectores para ayudar a medir el desplazamiento del material artificial.

Luego eso modelos fueron comparados con el mismo tipo y tamaño de las válvulas protésicas que los cardiólogos utilizaron durante el procedimiento de reemplazo de válvula en cada paciente. Posteriormente a través de pruebas realizadas en un ambiente controlado de agua caliente para mantener la temperatura corporal humana, los investigadores implantaron las prótesis dentro de los modelos en el lugar exacto que se realizó durante el procedimiento clínico para cada paciente.

Para eso se utilizó software especializado para analizar imágenes médicas mostrando la ubicación de los detectores tomadas antes y después del experimento para determinar cómo interactuaban las prótesis con los modelos impresos 3D en busca de áreas donde la prótesis no se encontraba correctamente sellada contra la pared de la válvula.

A esas zonas inconsistentes se les asignaron valores que formaron un «índice de protuberancias». A partir de esto los científicos encontraron que un índice más alto se asociaba con pacientes que habían experimentado un mayor grado de fuga después de la colocación de su válvula.

Aunque los resultados sobre la predicción de fugas y grado de complicación son de gran importancia, el uso de esta impresión en 3D podría ser útil en los casos en los que la elección de diferentes tamaños o fabricantes de válvula pueden mejorar los resultados de la operación de reemplazo.

El grupo de investigadores pretende continuar y optimizar el diseño del metamaterial y el proceso de impresión en 3D, además de evaluar el uso de válvulas impresas en 3D como herramienta pre cirugía probando un gran número de modelos diseñados para cada paciente, así como mejorar sus métodos y herramientas analíticas. De igual manera, a través de la obtención de imágenes computarizadas del paciente, se busca crear modelos 3D de las válvulas, experimentar con distintos tipos, predecir su funcionamiento y posibles fugas, e indicar al médico la correcta para cada paciente.

Problema mundial

Según la World Health Organization (WHO) las enfermedades cardiovasculares ocupan el primer lugar como causa de muerte en el mundo. Tan solo en 2012, 17.5 millones de personas murieron de este tipo de enfermedades, es decir un 31% de la población mundial. Además se sabe que más de tres cuartas partes de estas muertes se producen en países con ingresos bajos y medios.

En México las enfermedades cardiacas son muy frecuentes y van en crecimiento por lo que la implementación de nuevas tecnologías en la búsqueda de mejores soluciones a este tipo de problemas médicos es vital, tal es el caso de esta investigación que ha sido publicada en el mes de julio en el Journal of American College of Cardiology con el título Quantitative Prediction of Paravalvular Leak in Transcatheter Aortic Valve Replacement Based on Tissue-Mimicking 3D Printing.