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Jul 10, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5734 (2023) Citar este artigo

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Para aqueles que sofrem de insuficiência cardíaca biventricular em estágio final e onde um transplante de coração não é uma opção viável, um Coração Artificial Total (TAH) pode ser usado como uma ponte para o dispositivo de transplante. O Realheart TAH é um coração artificial de quatro câmaras que usa uma técnica de bombeamento de deslocamento positivo que imita o coração nativo para produzir fluxo pulsátil governado por um par de válvulas cardíacas mecânicas de folheto duplo. O objetivo deste trabalho foi criar um método para simular hemodinâmica em bombas de sangue de deslocamento positivo, usando fluidodinâmica computacional com interação fluido-estrutura para eliminar a necessidade de dados de movimento de válvula in vitro pré-existentes e, em seguida, usá-lo para investigar o desempenho do Realheart TAH em uma variedade de condições operacionais. O dispositivo foi simulado no Ansys Fluent por cinco ciclos em taxas de bombeamento de 60, 80, 100 e 120 bpm e em comprimentos de curso de 19, 21, 23 e 25 mm. Os componentes móveis do dispositivo foram discretizados usando uma abordagem de malha overset, um novo algoritmo de acoplamento fraco-forte combinado entre solucionadores de fluido e estrutural e um esquema de passo de tempo variável personalizado foi usado para maximizar a eficiência e precisão computacional. Um modelo Windkessel de dois elementos aproximou uma resposta de pressão fisiológica na saída. Os resultados da taxa de fluxo e pressão do fluxo de saída transiente foram comparados com experimentos in vitro usando um simulador cardiovascular híbrido e mostraram boa concordância, com erros quadráticos médios máximos de 15% e 5% para as taxas de fluxo e pressões, respectivamente. O washout ventricular foi simulado e apresentou aumento à medida que o débito cardíaco aumentava, com valor máximo de 89% após quatro ciclos a 120 bpm 25 mm. A distribuição da tensão de cisalhamento ao longo do tempo também foi medida, mostrando que não mais que \(4,5\vezes 10^{-4}\)% do volume total excedeu 150 Pa a um débito cardíaco de 7 L/min. Este estudo mostrou que este modelo é preciso e robusto em uma ampla gama de pontos de operação e permitirá que estudos futuros rápidos e eficazes sejam realizados nas gerações atuais e futuras do Realheart TAH.

A insuficiência cardíaca (IC) afeta mais de 64 milhões de pessoas em todo o mundo, com aumento de casos de quase 92% entre 1990 e 20171. Casos graves de IC (sintomas Classe IV da New York Heart Association2), como IC biventricular em estágio terminal que afeta ambos os lados do coração, necessitam de transplante cardíaco. No entanto, o número de corações de doadores disponíveis é limitado e as listas de espera para transplante continuam crescendo3. Os médicos podem recorrer ao suporte circulatório mecânico (MCS) como um meio de preencher a lacuna para o transplante, e o tipo de IC determina qual MCS pode ser usado. Em casos de insuficiência ventricular única, um Dispositivo de Assistência Ventricular (VAD) pode ser usado para ajudar o ventrículo a bombear sangue, no entanto, em casos de IC biventricular em estágio final, um Coração Artificial Total (TAH), que substitui inteiramente a função de o coração nativo, é mais apropriado4.

Existem dois métodos principais de bombeamento de dispositivos MCS: rotativo e de deslocamento positivo. Os DAVs mais recentes são dispositivos rotativos5,6,7. Estes contêm um único impulsor rotativo que fornece energia cinética ao sangue, que é convertida em carga de pressão por pás do estator (em uma bomba de fluxo axial) ou uma voluta (em uma bomba de fluxo centrífugo). As bombas rotativas geralmente produzem um fluxo contínuo, mas, variando a velocidade de rotação do impulsor, elas podem produzir uma forma de onda de fluxo pulsátil. Os TAHs geralmente empregam um método de bombeamento de deslocamento positivo, no qual o sangue é empurrado para fora do dispositivo por uma membrana ou placa propulsora, acionada elétrica ou pneumaticamente, para produzir fluxo pulsátil8,9,10. Bombas rotativas também têm sido usadas como TAHs11,12 e bombas de deslocamento positivo também têm sido usadas como VADs13,14,15,16. Embora os dispositivos de fluxo contínuo sejam geralmente menores do que as bombas pulsáteis e tenham se mostrado mais robustos e confiáveis ​​em comparação com a tecnologia VAD de deslocamento positivo inicial, estudos mostraram benefícios fisiológicos da pulsatilidade, tanto dentro do dispositivo quanto em todo o corpo17,18.