Pesquisadores da Penn State celebram teste bem-sucedido de bomba cardíaca

Jul 22, 2023

Imagens da bomba cardíaca percutânea. Crédito: Penn State. Creative Commons

2 de agosto de 2013

UNIVERSITY PARK, Pa. - Uma equipe de pesquisadores da Penn State no Laboratório de Pesquisa Aplicada (ARL) e no Departamento de Ciência de Materiais viu o Dispositivo de Assistência Ventricular Esquerda (LVAD) desenvolvido entre 2005 e 2011 fazer a transição para seu primeiro teste humano bem-sucedido em março .

A Thoratec Corp., líder mundial em terapias mecânicas de suporte circulatório para insuficiência cardíaca, licenciou a tecnologia da Penn State em 2010. Os LVADs são projetados para assumir parcialmente a função de bombeamento de uma insuficiência cardíaca. Em menos de três anos, os componentes preliminares do projeto, as instalações de teste e as técnicas de fabricação desenvolvidas na Penn State para construir um protótipo de dispositivo foram desenvolvidos pela Thoratec para que o LVAD pudesse ser testado em humanos.

"A empolgação para nossa equipe da Penn State é que nossa pesquisa agora está a caminho de salvar vidas", disse Rob Kunz, pesquisador da ARL e investigador principal do projeto. "As metas de design para o agora denominado HeartMate PHP (bomba cardíaca percutânea) eram assustadoras: desenvolver uma bomba de sangue na extremidade de um cateter longo e fino, pequeno o suficiente para ser inserido através de uma incisão na coxa de um paciente e serpeado através do descendente aorta para o ventrículo esquerdo para ser implantado. O PHP tem que fornecer capacidade de bombeamento de sangue suficiente para suportar um homem adulto (aproximadamente 4,5 litros por minuto a uma cabeça de pressão de 60 mmHg) por vários dias, sem causar danos ao coração ou ao sangue em si."

Muitos LVADs de longo prazo disponíveis comercialmente exigem que a parede torácica seja aberta cirurgicamente para inserção do dispositivo, um procedimento complicado e traumático. Os objetivos do projeto para o dispositivo PHP de curto prazo foram motivados pelo desejo de uma tecnologia de suporte aguda minimamente invasiva de inserção rápida. O PHP foi projetado para ser inserido, implantado e operado minutos depois de um paciente sofrer um ataque cardíaco ou outra condição cardíaca aguda, potencialmente prolongando a vida de dezenas de milhares de pessoas nos Estados Unidos a cada ano.

Com esses requisitos, a indústria veio para a Penn State devido aos fortes recursos da Universidade em hidrodinâmica (projeto, teste e modelagem) e ciência de materiais, ambas tecnologias críticas em qualquer aplicação de bomba de sangue. "Recebemos essencialmente os requisitos e uma folha de papel em branco", disse Kunz, "não demorou muito para desenvolvermos o conceito básico: um impulsor dobrável muito pequeno, girando muito rapidamente, alojado dentro de uma cânula dobrável."

Desenvolver o conceito para esta pequena mas eficiente turbomáquina exigiu que a equipe da Penn State superasse vários desafios. Um importante tem a ver com a natureza do fluido. O LVAD funciona por meio de um impulsor que bombeia sangue enquanto gira a aproximadamente 19.000 RPM; mas você não pode colocar sangue em um liquidificador – mesmo um minúsculo – e esperar que ele mantenha as características físicas e biológicas que lhe permitem transportar oxigênio. Em vez disso, as pás do impulsor tiveram que ser projetadas para danificar minimamente os glóbulos vermelhos.

Outro grande desafio foi que o material do qual as lâminas LVAD são feitas tinha que ser flexível o suficiente para comprimir dentro de um cateter de 4 mm. Essa mesma elasticidade significa que as pás se desviam sob a carga de fluido quando giram. Assim, as pás tiveram que ser projetadas para compensar a deflexão e, ao mesmo tempo, preservar o desempenho hidrodinâmico desejado. Em terceiro lugar, a cânula na qual o impulsor gira e que guia o fluxo sanguíneo através da bomba também tinha que ser colapsável – essencialmente um stent coberto com integridade suficiente para suportar o bombeamento e flexível o suficiente para dobrar completamente em um cateter de 4 mm .

Disse Kunz: "Este foi um esforço de design e desenvolvimento verdadeiramente multidisciplinar, envolvendo especialistas em ciência de materiais, mecânica dos fluidos experimental, mecânica dos fluidos computacional, design de engenharia, tecnologia de rolamentos, prototipagem rápida e controles, bem como mecânicos e técnicos de teste de integração. Nós também tivemos a excelente oportunidade de nos envolver em várias tecnologias bem fora de nossas competências principais, incluindo fisiologia do sistema circulatório, mecânica/bioquímica das células sanguíneas, testes em animais e materiais que são 'liberados' para uso no corpo. Além disso, apesar de seu 'design e entregar 'foco, o projeto apoiou uma tese de doutorado da Penn State em Engenharia Mecânica sobre o tópico de modelagem de interação fluido-estrutura."