Corazón artificial

Antecedentes

Un corazón natural tiene dos bombas, cada una con dos cámaras. La aurícula derecha bombea sangre sin oxígeno del cuerpo al ventrículo derecho, que la bombea a los pulmones. La aurícula izquierda envía sangre aireada de los pulmones al ventrículo izquierdo, que la bombea hacia el cuerpo. Con cada latido del corazón, las dos aurículas se contraen juntas, seguidas por los ventrículos grandes.

La insuficiencia cardíaca congestiva, que es la capacidad del corazón en constante declive para bombear sangre, es una de las principales causas de muerte. Esta enfermedad es causada por daño repentino de ataques cardíacos, deterioro por infecciones virales, mal funcionamiento de las válvulas, presión arterial alta y otros problemas. Según la Asociación Estadounidense del Corazón, se estima que cinco millones de estadounidenses viven con insuficiencia cardíaca y cada año se diagnostican más de 400.000 casos nuevos. Aproximadamente el 50% de todos los pacientes mueren dentro de los cinco años. Las enfermedades cardíacas le costaron a la industria de la salud de los Estados Unidos alrededor de $ 95 mil millones en 1998.

Aunque los medicamentos y las técnicas quirúrgicas pueden ayudar a controlar los síntomas, la única cura para la insuficiencia cardíaca es un trasplante de órganos. En 1998, alrededor de 7.700 estadounidenses estaban en la lista nacional de trasplantes de corazón, pero solo el 30% recibió trasplantes. Por tanto, se han desarrollado corazones artificiales y dispositivos asistidos por bombeo como posibles alternativas.

Un corazón artificial mantiene la circulación sanguínea y la oxigenación del corazón durante distintos períodos de tiempo. El corazón artificial ideal debe latir 100.000 veces cada 24 horas sin requerir lubricación ni mantenimiento y debe tener una fuente de energía constante. También debe bombear más rápido o más lento dependiendo de la actividad del paciente sin causar infección ni coágulos de sangre.

Los dos tipos principales de corazones artificiales son la máquina corazón-pulmón y el corazón mecánico. El primer tipo consta de un oxigenador y una bomba y se utiliza principalmente para mantener el flujo sanguíneo mientras se opera el corazón. Esta máquina solo puede funcionar durante unas horas, ya que la sangre se daña después de un tiempo prolongado.

Un corazón mecánico está diseñado para reducir la carga de trabajo total de un corazón que ya no puede funcionar a su capacidad normal. Estos corazones consisten en equipos que pulsan la sangre entre latidos o utilizan un ventrículo auxiliar artificial (dispositivo de asistencia del ventrículo izquierdo, LVAD) que bombea una parte del gasto cardíaco normal. Debido a que tales dispositivos generalmente resultan en complicaciones para el paciente, generalmente se han utilizado como reemplazo temporal hasta que se puedan obtener corazones naturales para trasplante. En todo el mundo se han implantado unos 4.000 LVAD. El mercado de estos dispositivos se estima en $ 12 mil millones por año en los Estados Unidos.

Historial

Desde finales del siglo XIX, los científicos han intentado desarrollar un dispositivo mecánico que pudiera restaurar el oxígeno a la sangre y eliminar el exceso de dióxido de carbono, así como una bomba para suplantar temporalmente la acción del corazón. Pasaron casi 100 años antes de que John H. Gibbon Jr. usara la primera máquina cardiopulmonar exitosa en un ser humano en 1953. Cuatro años más tarde, el primer corazón artificial (hecho de plástico) en el mundo occidental fue implantado dentro de un perro . El Instituto Nacional del Corazón A. Un corazón artificial neumático. B. Un corazón artificial giroscópico centrífugo. estableció el programa de corazón artificial en 1964, lo que dio lugar al primer corazón artificial total para uso humano implantado en 1969.

El énfasis se trasladó a los sistemas de asistencia del ventrículo izquierdo y los materiales compatibles con la sangre en 1970. Durante ese mismo año, se utilizó con éxito un LVAD. Sin embargo, el desarrollo de la bomba de sangre continuó y los dispositivos se volvieron más pequeños, más livianos, más aceptables y clínicamente exitosos. Varios poliuretano y también se desarrollaron bombas de plástico de larga duración. Durante la década de 1980, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) impuso reglas más restrictivas a la Ley de Normas de Dispositivos Médicos, lo que provocó mayores costos de desarrollo. Muchos grupos de investigación tuvieron que abandonar, y solo quedan unos pocos en la actualidad.

Quizás el científico más famoso es el Dr. Robert Jarvik, quien inventó un corazón artificial llamado Jarvik-7. Este dispositivo, hecho de aluminio y plástico, reemplazó las dos cámaras inferiores del corazón natural y usó dos diafragmas de goma para la acción de bombeo. Un compresor externo del tamaño de un refrigerador mantenía latiendo el corazón artificial. Barney Clark fue el primer paciente en recibir este corazón. Sobrevivió 112 días antes de que las complicaciones físicas causadas por el implante le quitaran la vida. En 1986, William Schroeder se convirtió en el segundo receptor de Jarvik-7, sobreviviendo unos 20 meses.

La comunidad médica se dio cuenta de que un corazón completamente implantable podría evitar los problemas de movilidad e infección causados ​​por el Jarvik-7. En 1988, los Institutos Nacionales de Salud comenzaron a financiar el desarrollo de tales corazones y en 1991 estaban apoyando un programa de este tipo por un total de $ 6 millones. Tres años más tarde, estuvo disponible un LVAD implantable eléctrico y alimentado por batería. En 1999, Charlie Chappis se convirtió en el primer paciente dado de alta de un hospital con un dispositivo de este tipo. Actualmente se están probando otros corazones artificiales de varios diseños.

Materias primas

Un corazón artificial o LVAD está hecho de metal, plástico, cerámica y partes de animales. Se utiliza una aleación de titanio-aluminio-vanadio para la bomba y otras partes metálicas porque es biocompatible y tiene propiedades estructurales adecuadas. Las piezas de titanio se moldean en un procesador de titanio especializado. A excepción de las superficies que entran en contacto con la sangre, el titanio se mecaniza con un acabado específico. Las superficies en contacto con la sangre reciben un recubrimiento especial de microesferas de titanio que se adhieren permanentemente a la superficie. Con este recubrimiento, las células sanguíneas se adhieren a la superficie, creando un revestimiento vivo.

Un diafragma que entra en contacto con la sangre dentro de la bomba está hecho de un tipo especial de poliuretano que también está texturizado para proporcionar adherencia a las células sanguíneas. Dos injertos tubulares están hechos de poliéster (que se utilizan para unir el dispositivo a la aorta) y las válvulas son válvulas cardíacas reales extraídas de un cerdo. Otras partes que componen el motor están hechas de titanio u otros metales y cerámica.

Diseño

Hay varios problemas críticos al diseñar un LVAD. Debe entenderse la dinámica de los fluidos del flujo sanguíneo para que se bombee suficiente sangre y no se generen coágulos de sangre. Deben elegirse materiales que sean biocompatibles; de lo contrario, la bomba podría fallar. La eficiencia del motor debe optimizarse para que se genere un calor mínimo. Debido al posible rechazo, el volumen total y el área de superficie de todo el dispositivo deben mantenerse lo más pequeños posible. Un LVAD típico pesa alrededor de 2.4 lb (1200 g) y tiene un volumen de 1.4 pintas (660 ml).

O. Robert Jarvik.

Robert Jarvik nació el 11 de mayo de 1946 en Midland, Michigan, y se crió en Stamford, Connecticut. Ingresó en la Universidad de Syracuse de Nueva York en 1964, estudiando arquitectura y dibujo mecánico. Después de que su padre desarrolló una enfermedad cardíaca, Jarvik cambió a la pre-medicina. Se graduó en 1968 con una licenciatura en zoología, pero fue rechazado por las facultades de medicina de Estados Unidos. Ingresó en la Universidad de Bolonia en Italia, pero se fue en 1971 a la Universidad de Nueva York, donde obtuvo una maestría en biomecánica ocupacional.

Jarvik solicitó un trabajo en la Universidad de Utah. El director del Instituto de Ingeniería Biomédica y División de Órganos Artificiales, Willem Kolff, había estado desarrollando un corazón artificial desde mediados de la década de 1950. Jarvik comenzó como su asistente de laboratorio y obtuvo su título de médico en 1976.

El 2 de diciembre de 1982, los médicos trasplantaron el primer corazón artificial a un ser humano. Este dispositivo de plástico y aluminio, el Jarvik-7, se implantó en Barney Clark, que sobrevivió 112 días después de la operación. Varios otros pacientes recibieron corazones Jarvik-7, pero ninguno vivió más de 620 días. Los principales beneficios fueron que no habría que esperar por un corazón humano y no hubo posibilidad de rechazo. El error obvio era que los pacientes estaban conectados para siempre a una máquina de aire comprimido a través de tubos.

El Jarvik-7 finalmente se usó como una medida provisional para los pacientes que esperaban corazones naturales y brindó la esperanza de que no habría una espera para los trasplantes. En 1998 Jarvik continuó trabajando en un dispositivo autónomo para implantarse en el corazón enfermo de una persona para que funcione correctamente.

El proceso de fabricación

• 1 La mayoría de los componentes se fabrican según especificaciones personalizadas por fabricantes externos, incluidos talleres de maquinaria y fabricantes de placas de circuito impreso. Las válvulas porcinas se cosen dentro de los injertos con suturas en una empresa de dispositivos médicos que se especializa en válvulas cardíacas.

  Una vez que se obtienen todos los componentes, el sistema LVAD se ensambla y se prueba, para garantizar que cada dispositivo cumpla con todas las especificaciones. Una vez probado, el LVAD se puede esterilizar y empaquetar para su envío.

Formando las piezas de poliuretano

• 2 Algunos fabricantes de corazones artificiales fabrican sus propias piezas de poliuretano. Un proceso utiliza una solución líquida patentada que se vierte sobre un mandril de cerámica capa por capa. Cada capa se calienta y se seca hasta alcanzar el espesor deseado. Luego, la pieza se retira del mandril y se inspecciona. De lo contrario, un fabricante externo utiliza un proceso de moldeo por inyección o moldeo al vacío combinado con soldadura por radiofrecuencia.

Ensamblaje

• 3 Cada corazón artificial tarda varios días en ensamblarse y probarse. El proceso de montaje se realiza en una sala limpia para evitar la contaminación. Cada corazón artificial consta de hasta 50 componentes que se unen con adhesivos especiales. Estos adhesivos requieren curado a altas temperaturas. Varias operaciones de ensamblaje ocurren en paralelo, incluido el ensamblaje de la carcasa del motor y los componentes, el ensamblaje del tubo percutáneo y la unión de las placas empujadoras al diafragma de poliuretano. Estos subsistemas se inspeccionan individualmente, luego se produce el ensamblaje final del sistema completo. Los injertos se ensamblan por separado y se unen durante la operación.

Prueba

• 4 Una vez completado el montaje, cada dispositivo se prueba utilizando un equipo especial que simula presiones en el cuerpo. Todos los componentes electrónicos se prueban con equipos de prueba electrónicos para garantizar el correcto funcionamiento de todos los circuitos.

Esterilización / envasado

• 5 Una vez que el corazón artificial se prueba y pasa, se envía a un servicio externo para su esterilización. Cada dispositivo se sella en bandejas de plástico y se devuelve al fabricante del corazón. Luego se empaqueta en maletas personalizadas para protegerlo de la contaminación y evitar daños.

Control de calidad

La mayoría de los componentes ya han pasado la inspección antes de llegar al fabricante del corazón. Algunos componentes todavía se inspeccionan dimensionalmente, ya que requieren tolerancias estrictas, del orden de millonésimas de pulgada, lo que requiere herramientas de medición especiales. Para cumplir con las regulaciones de la FDA, todos los componentes (incluidos los adhesivos) utilizados en el proceso se controlan por lote y número de serie para que sea posible rastrear problemas.

Subproductos / Residuos

La chatarra de titanio se recupera y recicla después de la refundición y refundición. De lo contrario, se producen pocos residuos, ya que la mayoría de los componentes han pasado la inspección antes de salir de los distintos fabricantes. Se descartan otras piezas defectuosas. Una vez que un paciente ha utilizado un dispositivo, se envía de vuelta al fabricante del corazón para que lo analice y mejore el diseño.

El futuro

En la próxima década, saldrán al mercado varios dispositivos nuevos. Los investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania están desarrollando un corazón electromecánico alimentado por energía de radiofrecuencia que se transmite a través de la piel. Un motor impulsa las placas de empuje, que se alternan presionando contra sacos de plástico llenos de sangre para simular el bombeo. Los pacientes llevan una batería durante el día y duermen con el dispositivo enchufado a una toma de corriente. Este corazón artificial se probará en humanos en 2001.

Varios grupos de investigación están desarrollando bombas que hacen circular la sangre de forma continua, en lugar de utilizar una acción de bombeo, ya que estas bombas son más pequeñas y eficientes. En Australia, Micromedical Industries Limited está desarrollando una bomba de sangre rotativa de flujo continuo, que se espera que se implante en un ser humano en 2001. El departamento de cardiología de la Universidad Estatal de Ohio está desarrollando una bomba de plástico del tamaño de un disco de hockey que se autorregula. Esta bomba se implanta en pacientes durante varias semanas hasta que su propio corazón se recupere.

Thermo Cardiosystems, Inc. también está trabajando en un LVAD con una bomba rotativa de flujo continuo), que se espera que se implante en algún momento del 2000, y un LVAD con una bomba centrífuga de flujo continuo. Esta última aún se encuentra en una fase de desarrollo inicial, pero se prevé que sea la primera bomba sin cojinetes del mundo, lo que significa que no tendrá piezas que se desgasten. Esto se logra suspendiendo magnéticamente el rotor de la bomba. Ambos dispositivos estarán disponibles con transferencia de energía transcutánea, lo que significa que los dispositivos serán completamente implantables.

Con menos corazones de donantes disponibles, otros también están desarrollando un corazón artificial que es un reemplazo permanente. Estos reemplazos pueden ser en forma de un dispositivo de asistencia del ventrículo izquierdo o un corazón artificial total, dependiendo de la condición física del paciente. Los LVAD están siendo desarrollados por el inventor Robert Jarvik y el renombrado cirujano cardíaco Michael DeBakey. Los corazones artificiales totales están siendo desarrollados conjuntamente por el Texas Heart Institute y Abiomed, Inc. en Massachusetts. En Japón, los investigadores están desarrollando corazones artificiales totales basados ​​en un sistema de válvula de bola de silicona y una bomba centrífuga con un sistema de cojinetes hechos de componentes de cerámica de alúmina y polietileno.

También se están desarrollando alternativas a los corazones artificiales y las bombas de asistencia cardíaca. Por ejemplo, se ha inventado una pinza especial que cambia la forma de un corazón enfermo, lo que se espera que mejore la eficiencia de bombeo hasta en un 30%. Un dispositivo de este tipo requiere una cirugía mínimamente invasiva para su implantación.