Corazón artificial: Tecnología, historia y perspectivas futuras

Antecedentes

Un corazón sano funciona como órgano de doble bomba, con dos aurículas y dos ventrículos. La aurícula derecha recibe sangre desoxigenada del cuerpo y la contrae al ventrículo derecho, que la impulsa a los pulmones. La aurícula izquierda recibe sangre oxigenada de los pulmones y la empuja al ventrículo izquierdo, la cámara que distribuye sangre al resto del cuerpo. Cada ciclo cardíaco comienza con contracción auricular, seguida de contracción ventricular, asegurando circulación eficiente.

La insuficiencia cardíaca congestiva (ICC) es la pérdida progresiva de la capacidad de bombeo del corazón y sigue siendo una causa principal de mortalidad mundial. La American Heart Association reporta que aproximadamente cinco millones de estadounidenses viven con ICC, y se diagnostican más de 400.000 casos nuevos anualmente. Aproximadamente la mitad muere dentro de cinco años del diagnóstico. En 1998, el sistema de salud de EE. UU. gastó unos 95.000 millones de dólares tratando enfermedades cardíacas.

Aunque la terapia farmacológica e intervenciones quirúrgicas pueden aliviar síntomas, el trasplante de corazón sigue siendo la cura definitiva para la ICC terminal. En 1998, unos 7.700 pacientes estaban en lista de trasplante, pero solo el 30 % recibió un órgano. Esta escasez impulsó el desarrollo de corazones artificiales y dispositivos de asistencia ventricular (DAV) como opciones de puente a trasplante o terapia de destino.

Un corazón artificial ideal debe proporcionar circulación sanguínea y oxigenación continua y fiable durante periodos prolongados —típicamente al menos 100.000 latidos por 24 horas— sin lubricación ni mantenimiento rutinario, adaptando su ritmo a la actividad del paciente y minimizando riesgos de infección o trombosis.

Las dos categorías principales de dispositivos de apoyo circulatorio son la máquina corazón-pulmón y el corazón mecánico. La máquina corazón-pulmón, con oxigenador y bomba, se usa en cirugía a corazón abierto y se limita a unas horas por hemólisis sanguínea con el tiempo. Los corazones mecánicos, en cambio, reducen la carga de un corazón nativo fallido y pueden funcionar como soporte temporal o permanente. Los DAV izquierdos, por ejemplo, asisten el ventrículo izquierdo entregando una parte del gasto cardíaco normal. Actualmente, unos 4.000 DAVI se implantan mundialmente, y el mercado estadounidense se estima en 12.000 millones de dólares anuales.

Historia

Desde finales del siglo XIX, científicos persiguen soluciones mecánicas para reemplazar o complementar la función cardíaca. Tardó casi un siglo en que la primera máquina corazón-pulmón humana, desarrollada por John H. Gibbon Jr., se usara con éxito en 1953. Cuatro años después, un corazón artificial de plástico se implantó en un modelo canino.

El Instituto Nacional del Corazón (hoy Instituto Nacional del Corazón, Pulmón y Sangre) formalizó un programa de corazón artificial en 1964, culminando en la primera implantación de corazón artificial total en humano en 1969.

En los años 70, el foco se desplazó hacia dispositivos de asistencia ventricular izquierda (DAVI) y materiales biocompatibles. La primera implantación exitosa de DAVI ocurrió en 1970, y décadas posteriores vieron la introducción de bombas de poliuretano y plástico con vidas útiles extendidas. El endurecimiento regulatorio de la FDA en los 80 aumentó costes de desarrollo, llevando a consolidación en el campo.

El Dr. Robert Jarvik, pionero en el campo, introdujo el corazón artificial Jarvik-7 en 1983. Este dispositivo de aluminio-plástico, accionado por un gran compresor externo, se implantó en Barney Clark en 1985. Clark sobrevivió 112 días, y receptores posteriores vivieron hasta 20 meses, demostrando la factibilidad del soporte implantable.

El deseo de dispositivos totalmente implantables alimentados por batería llevó a financiación del NIH en 1988 y al desarrollo de un DAVI eléctrico para 1991. En 1999, Charlie Chappis se convirtió en el primer paciente dado de alta a casa con un DAVI implantado, marcando un hito hacia terapia a largo plazo.

Materias primas

Los corazones artificiales y DAVI se construyen con combinación de metales, polímeros, cerámicas y componentes biológicos. La aleación metálica principal es titanio-aluminio-vanadio, elegida por biocompatibilidad y resistencia mecánica. Las piezas de titanio se mecanizan con precisión y reciben un recubrimiento de microesferas que promueve endotelización, creando un revestimiento hemocompatible natural.

El diafragma de la bomba se fabrica con poliuretano texturizado que favorece la adhesión de células sanguíneas, reduciendo hemólisis. Injertos de poliéster unen el dispositivo a la aorta, mientras que válvulas cardíacas porcinas sirven como reemplazos biológicos de válvulas nativas. Componentes del motor son típicamente de titanio o cerámicas de alta resistencia.

Diseño

Diseñar un DAVI requiere atención meticulosa a la dinámica de fluidos para asegurar flujo adecuado sin trombosis, selección de materiales verdaderamente biocompatibles, y optimización de eficiencia del motor para limitar generación de calor. Las dimensiones se mantienen mínimas para reducir riesgo de rechazo inmune; un DAVI típico pesa unos 1,2 kg (2,4 lb) y ocupa 660 ml (1,4 pintas).

Robert Jarvik

Nacido el 11 de mayo de 1946 en Midland, Michigan, Jarvik cursó arquitectura y dibujo mecánico en la Universidad de Syracuse antes de cambiar a pre-medicina tras la enfermedad cardíaca de su padre. Obtuvo licenciatura en zoología en 1968, luego máster en biomecánica ocupacional en la Universidad de Nueva York en 1971. Tras doctorarse en medicina en 1976, se unió al Instituto de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Utah, donde colaboró con Willem Kolff en investigación de corazón artificial.

Proceso de fabricación

• Los componentes se fabrican a medida por proveedores especializados terceros, incluyendo talleres de mecanizado de precisión y productores de circuitos impresos. Las válvulas porcinas se cosen en injertos de poliéster en instalaciones dedicadas a fabricación de válvulas cardíacas.

  Tras la adquisición de componentes, el ensamblaje del DAVI pasa pruebas rigurosas para verificar cumplimiento de todas las especificaciones. Una vez aprobado, el dispositivo se esteriliza y empaqueta para distribución.

Formado de piezas de poliuretano

• Algunos fabricantes producen diafragmas de poliuretano internamente usando una solución líquida propietaria aplicada a un mandril cerámico en capas sucesivas. Cada capa se cura y seca hasta alcanzar el grosor objetivo. La pieza terminada se retira del mandril e inspecciona. Alternativamente, productores terceros pueden emplear moldeo por inyección o vacío combinado con soldadura RF.

Ensamblaje

• El ensamblaje se realiza en sala blanca estéril para prevenir contaminación. Hasta 50 componentes de precisión se unen con adhesivos curables a alta temperatura. Sub-ensamblajes paralelos —incluyendo carcasa del motor, tubo percutáneo y placas empujadoras de diafragma— se completan, inspeccionan e integran finalmente en el sistema completo. Los injertos se unen por separado en el paso final.

Pruebas

• Tras el ensamblaje, cada dispositivo pasa pruebas mecánicas que simulan presiones fisiológicas. Todos los circuitos electrónicos se evalúan con equipos de diagnóstico para confirmar operación correcta.

Esterilización y embalaje

• Tras pruebas exitosas, el dispositivo se transfiere a un servicio externo de esterilización. Cada unidad se sella en bandeja plástica estéril y luego en estuche protector personalizado para envío, protegiéndola de contaminación y daño.

Control de calidad

La mayoría de componentes pasan pre-inspección antes del envío al fabricante, pero se realizan comprobaciones dimensionales con tolerancias en millonésimas de pulgada en piezas críticas. Para cumplir regulaciones FDA, cada componente —incluidos adhesivos— es trazable vía números de lote y serie, permitiendo trazabilidad completa.

Subproductos/Residuos

El titanio de desecho se recupera, refunde y vuelve a colar, minimizando residuos metálicos. Como la mayoría de piezas pasan pre-inspección, solo una pequeña cantidad de componentes defectuosos se descarta. Los dispositivos post-implantación se devuelven al fabricante para análisis, proporcionando datos que impulsan mejoras iterativas de diseño.

El futuro

En la próxima década, una ola de innovaciones transformará el soporte circulatorio mecánico. Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania desarrollan un corazón electromecánico que recibe energía transcutáneamente vía radiofrecuencia, permitiendo a pacientes llevar batería de día y recargar de noche. El prototipo está previsto para ensayos humanos en 2001.

Otros grupos exploran bombas de flujo continuo, que eliminan la necesidad de carrera mecánica de bomba y reducen tamaño y consumo. En Australia, Micromedical Industries Limited avanza una bomba rotativa de flujo continuo prevista para implante humano en 2001. La Universidad Estatal de Ohio trabaja en una bomba plástica autorregulable del tamaño de un disco de hockey, diseñada para soporte a corto plazo hasta que la función cardíaca nativa se recupere.

Thermo Cardiosystems, Inc. desarrolla un DAVI sin cojinetes con rotor suspendido magnéticamente, prometiendo durabilidad virtualmente ilimitada. Variantes centrífugas y rotativas de flujo continuo se diseñan para transferencia de energía transcutánea, haciéndolas totalmente implantables.

Con escasez de corazones donantes, los reemplazos de corazón artificial permanente ganan tracción. Los DAVI se refinan por inventores como Robert Jarvik y cirujanos como Michael DeBakey. Los corazones artificiales totales son esfuerzo conjunto entre el Texas Heart Institute y Abiomed, Inc. En Japón, equipos investigan corazones totales con válvulas de bola de silicona impulsados por bomba centrífuga de cojinete cerámico.

Terapias alternativas, como abrazaderas modificadoras de forma que pueden mejorar la eficiencia del corazón nativo hasta 30 %, también están en investigación, ofreciendo opciones mínimamente invasivas para pacientes con enfermedad cardíaca estructural.