Nowa generacja zastawkowych urządzeń wspomagających pracę serca otwiera drzwi do bezpieczniejszych i bardziej efektywnych terapii. W ramach Miesiąca Partnera Klastra przedstawiamy projekt Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, który oferuje innowacyjne rozwiązanie zarówno dla dorosłych, jak i dzieci, potrzebujących wsparcia w postaci sztucznego serca.
Nietrombogenne kompozyty metalowo-polimerowe o adaptowalnej mikro- i makroelastyczności dla nowej generacji zastawek serca w sztucznych urządzeniach sercowych
Wykonawcy: JOANNEUM RESEARCH Forschungsges.m.b.H., Institute of Surface Technologies and Photonics; Polish Academy of Sciences, Institute of Metallurgy and Material Sciences; Foundation of Heart Surgery Development; Manufacturer of Surgical and Medical Instruments CHIRMED; IB Steiner, Ingenieurbüro für Kunststofftechnik; CoreTech System Co., Ltd.
Systemy z zastawkami mechanicznymi generują aktywację płytek poprzez naprężenia ścinające. Wynika to z wąskiej szczeliny jaka jest pomiędzy płatkiem i pierścieniem. Materiały kompozytowe i nowa konstrukcja zastawki mogą zminimalizować ten problem. Wtryskiwany poliuretan z metaliczną, tytanową wkładką łączy optymalną elastyczność w mikroskali z makro-sztywnością dla zapewnienia odpowiednich funkcji mechanicznych zastawki.
Projekt został zdefiniowany w odpowiedzi na pilną potrzebę medyczną i dotyczy poprawy skuteczności w leczeniu niewydolności serca oraz zapewnienia lepszej jakości życia dla osób wymagających mechanicznego wspomagania serca. Jest to szczególnie istotne w trakcie leczenia chorób serca zagrażających życiu.
Zewnętrzny, pulsacyjny system wspomagania serca (VAD) jest dobrze znaną metodą przedłużonego wspomagania serca w schyłkowej jego niewydolności. Stosowany jest u pacjentów przez okres kilku miesięcy i umożliwia regenerację serca jak również stosowany jest jako pomost przy transplantacji. Ostatnio system został zakwalifikowany do leczenia pacjentów wymagających krótkoterminowego wspomagania podczas prowadzenia procesu radioterapii o wysokiej dawce promieniowania przy leczeniu nowotworów. W przyszłości może wspomagać terapię genową przy leczeniu zawału mięśnia sercowego.
Poważnym problem medycznym pulsacyjnych komór wspomagania serca jest powstawanie zakrzepów wynikających nieodpowiedniej dynamiki przepływu krwi wywołanej konstrukcją zastawek mechanicznych. Zarówno zastawki z uchylnym dyskiem i dwupłatkowe nie mają zoptymalizowanego przepływu krwi („omywanie” całej powierzchni o wystarczająco dużych naprężeniach ścinających) ze względu na budowę bazującą na sztywnych materiałach zastawek (płatek wykonany z węgla pyrolitycznego).
Głównym celem tego projektu jest poprawa skuteczności leczenia pacjentów z niewydolnością mięśnia sercowego, wspomaganych sztucznymi komorami, poprzez opracowanie nowatorskiego rozwiązania materiału materiałowego polegającego na opracowaniu materiału kompozytowego do kontaktu z krwią, rozumianego jako połaczenia stelaża metalicznego z biozgodną warstwa w osłonie polimerowejdo kontaktu z krwią, który umożliwi przeprojektowanie konstrukcji mechanicznych zastawek serca w komorze wspomagania serca ReligaHeart EXT (klinicznie stosowane VAD przez członka konsorcjum- FRK), a także dostarczenie rozwiązań do stosowania w pediatriatycznej pompie krwi (ReligaHeart PED VAD). Wstępne badania i symulacje doprowadziły nas do wytypowania metalowych kompozytów polimerowych wzmocnionych metalem (tytanem), które imitują naturalne zastawki serca i łączą wysoką elastyczność podobną do naczyń krwionośnych w skali mikro i mechaniczną stabilność w skali makro.
Najważniejsze osiągnięcia projektu przedstawiono na Rys. 1
Rys. 1. Komora wspomagania serca z wprowadzonymi nowymi zastawkami a.) zastawka napływowa obraz 1, b.) zastawka napływowa obraz 2 c.) zastawka wypływowa obraz 1; d.) zastawka napływowa obraz 2; e.) kompletna komora wspomagania z nowymi zastawkami
Podziękowanie
grant No. M-ERA. NET/2014/01/2016, „Nonthrombogenic metal-polymer composites with adaptable micro and macro flexibility for the next generation heart valves in artificial heart devices”
English version
Systems with mechanical valves generate platelet activation through shear stress. This is due to the narrow gap that exists between the leaflet and the annulus. Composite materials and a new valve design can minimize this problem. Injected polyurethane with a metallic titanium insert combines optimal microscale flexibility with macro-stiffness for adequate mechanical valve function. The project was defined to meet the pressing medical need of increasing effectiveness in heart insufficiency treatment (decreasing mortality) as well as to provide improved quality of life for people requiring mechanical heart support during treatment of life-threatening heart diseases. Heart assistance utilizing pulsatile extracorporeal ventricle assist devices (VAD) is a well-known method for prolonged heart support in end-stage heart insufficiency over a period of few months towards heart recovery or transplant. It is the only one method, which is applicable to children. Recently, it has been designated for use in patients demanding short-/medium-term heart support during high-dose radiotherapy in cancer treatment and, in future, may assist gene therapy to treat myocardial infarction. However, major medical problem of pulsatile VADs is thrombus formation due to inadequate blood flow dynamics of the mechanical valves. Both, tilting disc and double leaflet state-of-the-art valves lack on optimized blood flow (“washing” of all surface with sufficiently reduced shear stress) due to the construction based on stiff valve materials (pyrolytic carbon discs).
Thus, main goal of the bioVALVE project is to develop novel blood contacting composite materialsfor the re-design of the flexible mechanical VAD heart valves in the ReligaHeart EXT (a clinical standard, state-of-the-art VAD of consortium member FRK), as well as to provide design rules for application in paediatric VADs (ReligaHeart PED). Preliminary studies and simulations led us to metalreinforced polymer composites, which imitate natural heart valves and combine high elasticity similar to blood vessels on the micro-scale and mechanical stability on the macro-scale. This concept guarantees:
– anti-thrombogenic and anti-microbial construction by reduction of turbulence and sufficient washing of biofunctional-adapted surfaces,
– drastically reducing heart assist costs (device manufacturing & hospitalization), allowing broad use for temporary heart support in emerging economies, and,
– eliminating “clicking” noise at closing of state-of-the-art carbon disc valves, which reduces the psychological burden on patients’ quality of life
Po więcej informacji odwiedź profil Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej na Platformie Współpracy LSOS.
Materiały do powyższego artykułu zostały dostarczone przez Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej.