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Valvole Aortiche Stampate In 3D

 

I modelli di valvole cardiache realizzati con stampanti 3D avanzate potrebbero presto aiutare i cardiologi nella sostituzione delle valvole cardiache "naturali" ma difettose. I ricercatori dell'Istituto di Tecnologia della Georgia e di altre istituzioni stanno utilizzando immagini mediche standard e nuove tecnologie di stampa in 3D per creare modelli di valvole cardiache specifici per ogni paziente, per mimare le qualità fisiologiche delle vere valvole. Il loro scopo è quello di migliorare il tasso di successo delle sostituzioni della valvola aortica transcatetere o TAVR scegliendo la protesi giusta ed evitando una complicazione comune conosciuta come perdita paravalvolare. "La perdita paravalvolare è un indicatore estremamente importante nel modo in cui il paziente vivrà a lungo termine con la nuova valvola", ha dichiarato il Dott. Zhen Qian: "L'idea è che possiamo realizzare un modello specifico per i pazienti con questa tecnologia di stampa in 3D che imita i tessuti, possiamo testare come le valvole protesiche interagiscono con i modelli stampati 3D per scoprire se possiamo prevedere le perdite."

I ricercatori, il cui studio è stato pubblicato sulla rivista JACC: Cardiovascular Imaging, hanno scoperto che i modelli, realizzati a partire da scansioni TAC del cuore dei pazienti, si sono comportati in modo simile a quelli reali, quindi è possibile prevedere in modo affidabile le perdite. "Queste valvole stampate in 3D hanno il potenziale per avere un enorme impatto sulla cura del paziente", ha detto Chuck Zhang, professore presso la School of Industrial and Engineering Systems di Georgia Tech presso la Stewart School.

Decine di migliaia di pazienti ogni anno sono diagnosticati con malattie alle valvole cardiache e la tecnica TAVR è spesso considerata per pazienti ad alto rischio di complicanze, con una chirurgia a cuore aperto per sostituire le valvole difettose. Le valvole protesiche sono realizzate in una varietà di formati da più produttori. Le perdite si verificano quando le nuove valvole non raggiungono un preciso adattamento, ed il flusso di sangue passa intorno alla protesi piuttosto che attraverso di esse come previsto. Ridurre le probabilità di perdita è fondamentale per il risultato sul paziente della procedura. "Nel prepararsi a condurre una sostituzione di una valvola, i cardiologi interventisti già pesano una serie di predittori di rischio clinici, ma il nostro modello stampato in 3D ci fornisce un metodo quantitativo per valutare quanto bene una valvola protesica si adatti al paziente", ha detto Qian. I modelli vengono creati con un particolare disegno metamateriale e poi realizzati da una stampante multi-materiale in 3D, che consente ai ricercatori di controllare alcuni parametri di progettazione, come il diametro e la curvatura della lunghezza d'onda del metamateriale utilizzato per la stampa, per meglio imitare le proprietà fisiologiche del tessuto umano. Ad esempio, i modelli possono ricreare condizioni come la deposizione di calcio, un comune fattore di base della stenosi aortica, nonché la rigidezza delle pareti arteriose ed altri aspetti unici del cuore del paziente.

"I metodi precedenti, che consistevano nell'utilizzare stampanti 3D e un singolo materiale per la creazione di modelli di organi umani, erano limitati alle proprietà fisiologiche del materiale utilizzato", ha detto Zhang. "Il nostro metodo per la creazione di questi modelli con il disegno metamateriale e la stampa multidimensionale in 3D tiene conto del comportamento meccanico delle valvole cardiache, simulando il comportamento naturale di rigonfiamento dei tessuti molli derivante dall'interazione fra elastina e collagene, due proteine presenti nelle valvole cardiache." Questa interazione è stata simulata incorporando microstrutture ondulate e rigide nel materiale più morbido durante il processo di stampa in 3D.

I ricercatori hanno realizzato dei modelli di valvola cardiaca da immagini mediche provenienti da 18 pazienti sottoposti a una chirurgia di sostituzione della valvola. I modelli sono stati equipaggiati con decine di perline radio-opache per aiutare a misurare lo spostamento del materiale che imitava i tessuti. I ricercatori hanno quindi abbinato questi modelli con le stesse valvole protesiche di tipo e dimensioni che i cardiologi interventisti avevano usato durante la procedura di sostituzione delle valvole di ciascun paziente. All'interno di un ambiente di test con acqua calda controllato per mantenere la temperatura corporea umana, i ricercatori hanno impiantato la protesi all'interno dei modelli, facendo attenzione a mettere le nuove valvole nella posizione esatta utilizzata durante la procedura clinica per ogni caso.

Il software è stato utilizzato per analizzare l'immagine medica che mostra l'ubicazione delle perline radio-opache prese prima e dopo l'esperimento per determinare come le protesi interagiscono con i modelli stampati in 3D, cercando incongruenze che rappresentano aree in cui la protesi non è stata sigillata bene contro il bordo della valvola. A queste incoerenze sono stati assegnati valori che formavano un "indice di bulge" e i ricercatori hanno scoperto che un indice di bulge più elevato è associato a pazienti che avevano sperimentato un più alto grado di perdita dopo la posa della valvola. Oltre a prevedere il verificarsi della perdita, i modelli stampati in 3D erano anche in grado di replicare la posizione e la gravità della complicazione durante gli esperimenti.

"I risultati di questo studio sono molto incoraggianti", ha dett Qian. "Anche se questa procedura di sostituzione della valvola è abbastanza matura, ci sono ancora casi in cui la scelta di un produttore protesico diverso o di diversi produttori potrebbe migliorare il risultato e la stampa a 3 dimensioni, e sarà molto utile determinare quale sia il più adatto." Anche se i ricercatori hanno scoperto che un'altra variabile, ossia quanto calcio era accumulato sulla valvola naturale del paziente, potrebbe anche predire con alta precisione se ci sarà un grado di perdita più elevato, il nuovo metodo che usa le valvole stampate in 3D è un migliore predittore in alcuni casi in cui vengono utilizzati palloncini durante la procedura per espandere la valvola protesica per una migliore vestibilità.

I ricercatori intendono continuare ad ottimizzare il disegno metamateriale e il processo di stampa in 3D, e valutare l'utilizzo delle valvole a tre dimensioni come strumento di pianificazione pre-chirurgica, testando un numero maggiore di modelli specifici per il paziente e cercando modalità per perfezionare i loro strumenti analitici. "Alla fine, una volta che un paziente ha una TAC, possiamo creare un modello, provare diversi tipi di valvole e dire al medico come potrebbe funzionare meglio", ha detto Qian. "Potremmo anche prevedere se un paziente avrà probabilmente perdite moderate, ma una dilatazione a palloncino le risolverà."

Anche a Torino sono già state utilizzate delle protesi di parti del sistema circolatorio umano stampate in 3D. Nel mese di giugno del 2017, ad un uomo di 79 anni di età, affetto da aneurisma dell'arco aortico, presso l'Ospedale Mauriziano di Torino è stata impiantata una endoprotesi realizzata con una stampante 3D. In questo modo, si è evitato di intervenire a cuore aperto, dal momento che la protesi è stata inserita in un'altra maniera.

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