Coração Artificial

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Antecedentes

Um coração natural tem duas bombas, cada uma com duas câmaras. O átrio direito bombeia sangue pobre em oxigênio do corpo para o ventrículo direito, que o bombeia para os pulmões. O átrio esquerdo envia sangue aerado dos pulmões para o ventrículo esquerdo, que o bombeia para o corpo. A cada batimento cardíaco, os dois átrios se contraem juntos, seguidos pelos grandes ventrículos.

A insuficiência cardíaca congestiva, que é a capacidade cada vez menor do coração de bombear sangue, é uma das principais causas de morte. Esta doença é causada por danos súbitos de ataques cardíacos, deterioração de infecções virais, mau funcionamento das válvulas, hipertensão e outros problemas. De acordo com a American Heart Association, cerca de cinco milhões de americanos vivem com insuficiência cardíaca e mais de 400.000 novos casos são diagnosticados a cada ano. Cerca de 50% de todos os pacientes morrem em cinco anos. As doenças cardíacas custaram à indústria de saúde dos Estados Unidos cerca de US $ 95 bilhões em 1998.

Embora a medicação e as técnicas cirúrgicas possam ajudar a controlar os sintomas, a única cura para a insuficiência cardíaca é o transplante de órgãos. Em 1998, cerca de 7.700 americanos estavam na lista nacional de transplantes de coração, mas apenas 30% receberam transplantes. Corações artificiais e dispositivos de auxílio de bomba foram desenvolvidos como alternativas potenciais.

Um coração artificial mantém a circulação sanguínea e a oxigenação do coração por vários períodos. O coração artificial ideal deve bater 100.000 vezes a cada 24 horas sem a necessidade de lubrificação ou manutenção e deve ter uma fonte de energia constante. Também deve bombear mais rápido ou mais devagar, dependendo da atividade do paciente, sem causar infecção ou coágulos sanguíneos.

Os dois principais tipos de coração artificial são a máquina coração-pulmão e o coração mecânico. O primeiro tipo consiste em um oxigenador e uma bomba e é usado principalmente para manter o fluxo sanguíneo durante a operação do coração. Esta máquina só pode operar por algumas horas, pois o sangue fica danificado após um longo tempo.

Um coração mecânico é projetado para reduzir a carga de trabalho total de um coração que não consegue mais funcionar em sua capacidade normal. Esses corações consistem em equipamentos que pulsam o sangue entre os batimentos cardíacos ou usam um ventrículo auxiliar artificial (dispositivo de assistência ao ventrículo esquerdo, LVAD) que bombeia uma parte do débito cardíaco normal. Como esses dispositivos geralmente resultam em complicações para o paciente, eles geralmente têm sido usados ​​como uma substituição temporária até que corações naturais possam ser obtidos para transplante. Em todo o mundo, cerca de 4.000 LVADs foram implantados. O mercado para esses dispositivos é estimado em US $ 12 bilhões por ano nos Estados Unidos.

História

Desde o final do século XIX, os cientistas tentaram desenvolver um dispositivo mecânico que pudesse restaurar o oxigênio do sangue e remover o dióxido de carbono em excesso, bem como uma bomba para suplantar temporariamente a ação do coração. Demorou quase 100 anos antes que a primeira máquina de coração-pulmão de sucesso fosse usada em um ser humano por John H. Gibbon Jr. em 1953. Quatro anos depois, o primeiro coração artificial (feito de plástico) do mundo ocidental foi implantado dentro de um cachorro . Instituto Nacional do Coração A. Um coração artificial pneumático. B. Um coração artificial giroscentrífugo. estabeleceu o programa de coração artificial em 1964, levando ao primeiro coração artificial total para uso humano implantado em 1969.

A ênfase mudou para sistemas de assistência ventricular esquerda e materiais compatíveis com sangue em 1970. Durante o mesmo ano, um LVAD foi usado com sucesso. No entanto, o desenvolvimento da bomba de sangue continuou e os dispositivos tornaram-se menores, mais leves, mais aceitáveis ​​e clinicamente bem-sucedidos. Uma série de poliuretano e bombas de plástico de longa vida também foram desenvolvidas. Durante a década de 1980, a Food and Drug Administration (FDA) impôs regras mais restritivas ao Medical Devices Standards Act, levando a custos de desenvolvimento mais elevados. Muitos grupos de pesquisa tiveram que desistir, com apenas alguns restantes hoje.

Talvez o cientista mais famoso seja o Dr. Robert Jarvik, que inventou um coração artificial chamado Jarvik-7. Este dispositivo, feito de alumínio e plástico, substituiu as duas câmaras inferiores do coração natural e utilizou dois diafragmas de borracha para a ação de bombeamento. Um compressor externo do tamanho de uma geladeira mantinha o coração artificial batendo. Barney Clark foi o primeiro paciente a receber este coração. Ele sobreviveu 112 dias antes que complicações físicas causadas pelo implante tirassem sua vida. Em 1986, William Schroeder se tornou o segundo recipiente do Jarvik-7, sobrevivendo por cerca de 20 meses.

A comunidade médica percebeu que um coração completamente implantável poderia evitar os problemas de mobilidade e infecção causados ​​pelo Jarvik-7. Em 1988, o National Institutes of Health começou a financiar o desenvolvimento de tais corações e estava apoiando tal programa em 1991, totalizando $ 6 milhões. Três anos depois, um LVAD implantável elétrico e alimentado por bateria tornou-se disponível. Em 1999, Charlie Chappis se tornou o primeiro paciente a receber alta de um hospital com tal dispositivo. Outros corações artificiais de vários designs estão sendo testados.

Matérias-primas

Um coração artificial ou LVAD é feito de metal, plástico, cerâmica e partes de animais. Uma liga de titânio-alumínio-vanádio é usada para a bomba e outras peças de metal porque é biocompatível e tem propriedades estruturais adequadas. As peças de titânio são fundidas em um processador de titânio especializado. Exceto para superfícies em contato com o sangue, o titânio é usinado para um acabamento específico. As superfícies em contato com o sangue recebem um revestimento especial de microesferas de titânio que se ligam permanentemente à superfície. Com este revestimento, as células sanguíneas aderem à superfície, criando um revestimento vivo.

Um diafragma de contato com o sangue dentro da bomba é feito de um tipo especial de poliuretano que também é texturizado para fornecer aderência às células sanguíneas. Dois enxertos tubulares são feitos de poliéster (que são usados ​​para prender o dispositivo à aorta) e as válvulas são verdadeiras válvulas cardíacas removidas de um porco. Outras peças que compõem o motor são feitas de titânio ou outros metais e cerâmicas.

Design

Existem vários problemas críticos ao projetar um LVAD. A dinâmica dos fluidos do fluxo sanguíneo deve ser entendida para que sangue suficiente seja bombeado e nenhum coágulo seja criado. Devem ser escolhidos materiais biocompatíveis; caso contrário, a bomba pode falhar. A eficiência do motor deve ser otimizada para que o calor mínimo seja gerado. Devido à possível rejeição, o volume total e a área de superfície de todo o dispositivo devem ser mantidos o menor possível. Um LVAD típico pesa cerca de 2,4 lb (1.200 g) e tem um volume de 1,4 pints (660 ml).

Ou. Robert Jarvik.

Robert Jarvik nasceu em 11 de maio de 1946, em Midland, Michigan, e foi criado em Stamford, Connecticut. Ele ingressou na Syracuse University de Nova York em 1964, estudando arquitetura e desenho mecânico. Depois que seu pai desenvolveu uma doença cardíaca, Jarvik mudou para o pré-medicamento. Ele se formou em 1968 com um bacharelado em zoologia, mas foi rejeitado pelas faculdades de medicina dos Estados Unidos. Ele ingressou na Universidade de Bolonha, na Itália, mas saiu em 1971 para a Universidade de Nova York, obtendo um mestrado em biomecânica ocupacional.

Jarvik se candidatou a um emprego na Universidade de Utah. O diretor do Instituto de Engenharia Biomédica e Divisão de Órgãos Artificiais, Willem Kolff, vinha desenvolvendo um coração artificial desde meados da década de 1950. Jarvik começou como seu assistente de laboratório, obtendo seu diploma de medicina em 1976.

Em 2 de dezembro de 1982, os médicos transplantaram o primeiro coração artificial em um ser humano. Este dispositivo de plástico e alumínio, o Jarvik-7, foi implantado em Barney Clark, que sobreviveu por 112 dias após a operação. Vários outros pacientes receberam corações Jarvik-7, mas nenhum viveu mais do que 620 dias. Os principais benefícios eram que não haveria espera por um coração humano e não havia chance de rejeição. A armadilha óbvia é que os pacientes estão sempre conectados a uma máquina de ar comprimido por meio de tubos.

O Jarvik-7 acabou sendo usado como uma medida provisória para pacientes que aguardavam corações naturais e fornecia a esperança de que não haveria uma espera para os transplantes. Em 1998, Jarvik continuou a trabalhar em um dispositivo independente para ser implantado no coração doente de uma pessoa para que funcione corretamente.

O processo de fabricação

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  1 A maioria dos componentes é feita de acordo com especificações personalizadas de fabricantes terceirizados, incluindo oficinas mecânicas e fabricantes de placas de circuito impresso. As válvulas porcinas são costuradas dentro dos enxertos com suturas em uma empresa de dispositivos médicos especializada em válvulas cardíacas.
  
  Uma vez que todos os componentes são obtidos, o sistema LVAD é montado e testado, para garantir que cada dispositivo atenda a todas as especificações. Depois de testado, o LVAD pode ser esterilizado e embalado para envio.
  

Formando as peças de poliuretano

• 2 Alguns fabricantes de corações artificiais fabricam suas próprias peças de poliuretano. Um processo usa uma solução líquida patenteada que é derramada em um mandril de cerâmica camada por camada. Cada camada é aquecida e seca até atingir a espessura desejada. A peça é então removida do mandril e inspecionada. Caso contrário, um fabricante terceirizado usa um processo de moldagem por injeção ou moldagem a vácuo combinado com soldagem por radiofrequência.

Montagem

• 3 Cada coração artificial leva vários dias para ser montado e testado. O processo de montagem é realizado em sala limpa para evitar contaminação. Cada coração artificial consiste em até 50 componentes que são colocados juntos usando adesivos especiais. Esses adesivos requerem cura em altas temperaturas. Várias operações de montagem acontecem em paralelo, incluindo a montagem da carcaça do motor e componentes, a montagem do tubo percutâneo e a fixação das placas impulsoras ao diafragma de poliuretano. Esses subsistemas são inspecionados individualmente e, em seguida, ocorre a montagem final de todo o sistema. Os enxertos são montados separadamente e fixados durante a operação.

Teste

• 4 Depois de concluída a montagem, cada dispositivo é testado usando um equipamento especial que simula pressões no corpo. Todos os componentes eletrônicos são testados com equipamentos de teste eletrônicos para garantir o funcionamento adequado de todos os circuitos.

Esterilização / embalagem

• 5 Após o coração artificial ser testado e aprovado, ele é enviado para um serviço externo para esterilização. Cada dispositivo é lacrado em bandejas de plástico e devolvido ao fabricante do coração. Em seguida, é embalado em malas personalizadas para protegê-lo de contaminação e evitar danos.

Controle de qualidade

A maioria dos componentes já passou pela inspeção antes de chegar ao fabricante do coração. Alguns componentes ainda são inspecionados dimensionalmente, pois exigem tolerâncias estreitas - da ordem de milionésimos de polegada, o que requer ferramentas de medição especiais. Para atender aos regulamentos da FDA, cada componente (incluindo adesivos) usado no processo é controlado por lote e número de série para que seja possível rastrear problemas.

Subprodutos / resíduos

A sucata de titânio é recuperada e reciclada após a refusão e refusão. Caso contrário, pouco desperdício é produzido, uma vez que a maioria dos componentes passou na inspeção antes de sair dos vários fabricantes. Outras peças defeituosas são descartadas. Depois que um dispositivo é usado por um paciente, ele é enviado de volta ao fabricante do coração para análise para melhorar o design.

O Futuro

Na próxima década, uma série de novos dispositivos chegarão ao mercado. Pesquisadores da Universidade Estadual da Pensilvânia estão desenvolvendo um coração eletromecânico alimentado por energia de radiofrequência que é transmitida através da pele. Um motor aciona placas de empurrar, que se alternam pressionando contra sacos plásticos cheios de sangue para simular o bombeamento. Os pacientes carregam uma bateria durante o dia e dormem com o dispositivo conectado a uma tomada elétrica. Este coração artificial será testado em humanos em 2001.

Vários grupos de pesquisa estão desenvolvendo bombas que circulam o sangue continuamente, ao invés de usar uma ação de bombeamento, uma vez que essas bombas são menores e mais eficientes. Na Austrália, a Micromedical Industries Limited está desenvolvendo uma bomba de sangue rotativa de fluxo contínuo, que deve ser implantada em um ser humano em 2001. O departamento de cardiologia da Ohio State University está desenvolvendo uma bomba de plástico do tamanho de um disco de hóquei que é autorregulada. Esta bomba é implantada em pacientes por várias semanas até que seu próprio coração se recupere.

A Thermo Cardiosystems, Inc. também está trabalhando em um LVAD com bomba rotativa de fluxo contínuo), com implantação prevista para meados de 2000, e em um LVAD com bomba centrífuga de fluxo contínuo. Esta última ainda está em uma fase inicial de desenvolvimento, mas está planejada para ser a primeira bomba sem rolamentos do mundo, o que significa que não terá nenhuma peça que se desgaste. Isso é feito suspendendo magneticamente o rotor da bomba. Ambos os dispositivos estarão disponíveis com transferência de energia transcutânea, o que significa que os dispositivos serão totalmente implantáveis.

Com menos corações de doadores disponíveis, outros também estão desenvolvendo um coração artificial que é um substituto permanente. Essas substituições podem ser na forma de um dispositivo de assistência do ventrículo esquerdo ou um coração totalmente artificial, dependendo da condição física do paciente. Os LVADs estão sendo desenvolvidos pelo inventor Robert Jarvik e pelo renomado cirurgião cardíaco Michael DeBakey. Corações artificiais totais estão sendo desenvolvidos em conjunto pelo Texas Heart Institute e pela Abiomed, Inc. em Massachusetts. No Japão, os pesquisadores estão desenvolvendo corações totalmente artificiais baseados em um sistema de válvula de esfera de silicone e uma bomba centrífuga com um sistema de rolamento feito de cerâmica de alumina e componentes de polietileno.

Alternativas para corações artificiais e bombas de assistência cardíaca também estão em desenvolvimento. Por exemplo, foi inventado um grampo especial que muda a forma de um coração doente, o que se espera que melhore a eficiência de bombeamento em até 30%. Um tal dispositivo requer cirurgia invasiva mínima para ser implantado.