Coração Artificial: Tecnologia, História e Perspectivas Futuras

Introdução

Um coração saudável opera como um órgão de bomba dupla, com dois átrios e dois ventrículos. O átrio direito recebe sangue desoxigenado do corpo e contrai no ventrículo direito, que então o impulsiona para os pulmões. O átrio esquerdo recebe sangue oxigenado dos pulmões e o empurra para o ventrículo esquerdo, a câmara que distribui sangue para o resto do corpo. Cada ciclo cardíaco começa com contração atrial, seguida pela contração ventricular, garantindo circulação sanguínea eficiente.

Insuficiência cardíaca congestiva (ICC) é a perda progressiva da capacidade de bombeamento do coração e permanece uma das principais causas de mortalidade mundial. A American Heart Association relata que aproximadamente cinco milhões de americanos vivem com ICC, e mais de 400.000 novos casos são diagnosticados anualmente. Aproximadamente metade destes pacientes morre dentro de cinco anos do diagnóstico. Em 1998, o sistema de saúde dos EUA gastou aproximadamente US$ 95 bilhões tratando doenças cardíacas.

Embora terapia farmacológica e intervenções cirúrgicas possam aliviar sintomas, um transplante de coração permanece a cura definitiva para insuficiência cardíaca em estágio terminal. Em 1998, cerca de 7.700 pacientes estavam listados para transplante, mas apenas 30% receberam um órgão. Esta escassez impulsionou o desenvolvimento de corações artificiais e dispositivos de assistência ventricular (DAVs) como opções de ponte para transplante ou terapia de destino.

Um coração artificial ideal deve fornecer circulação sanguínea e oxigenação contínuas e confiáveis por períodos prolongados — tipicamente pelo menos 100.000 batimentos por 24 horas — sem lubrificação ou manutenção rotineira, enquanto adapta sua taxa de bombeamento ao nível de atividade do paciente e minimiza riscos de infecção ou trombose.

As duas categorias principais de dispositivos de suporte circulatório são a máquina coração-pulmão e o coração mecânico. A máquina coração-pulmão, compreendendo um oxigenador e uma bomba, é empregada durante procedimentos de coração aberto e é limitada a poucas horas de uso devido à hemólise sanguínea ao longo do tempo. Corações mecânicos, por outro lado, reduzem a carga de trabalho de um coração nativo falho e podem funcionar como suporte temporário ou permanente. DAVEs, por exemplo, auxiliam o ventrículo esquerdo fornecendo uma parte do débito cardíaco normal. Atualmente, cerca de 4.000 DAVEs são implantados mundialmente, e o mercado dos EUA para estes dispositivos é estimado em US$ 12 bilhões anualmente.

História

Desde o final do século XIX, cientistas buscaram soluções mecânicas para substituir ou suplementar a função cardíaca. Levou quase um século antes que a primeira máquina coração-pulmão humana, desenvolvida por John H. Gibbon Jr., fosse usada com sucesso em 1953. Quatro anos depois, um coração artificial de plástico foi implantado em modelo canino.

O Instituto Nacional do Coração (agora Instituto Nacional do Coração, Pulmão e Sangue) formalizou um programa de coração artificial em 1964, culminando na primeira implantação de coração artificial total em humano em 1969.

Nos anos 1970, o foco mudou para dispositivos de assistência ventricular esquerda (DAVEs) e uso de materiais biocompatíveis. A primeira implantação bem-sucedida de DAVE ocorreu em 1970, e décadas subsequentes viram a introdução de bombas de poliuretano e plástico com vidas úteis estendidas. O endurecimento regulatório pelo FDA nos anos 1980 aumentou custos de desenvolvimento, levando à consolidação no campo.

Dr. Robert Jarvik, pioneiro no campo, introduziu o coração artificial Jarvik-7 em 1983. Este dispositivo de alumínio-plástico, acionado por um grande compressor externo, foi implantado em Barney Clark em 1985. Clark sobreviveu 112 dias, e receptores subsequentes viveram até 20 meses, demonstrando a viabilidade de suporte implantável.

O desejo por dispositivos totalmente implantáveis, alimentados por bateria, levou a financiamento do NIH em 1988 e ao desenvolvimento de um DAVE elétrico em 1991. Em 1999, Charlie Chappis tornou-se o primeiro paciente a receber alta para casa com um DAVE implantado, marcando um marco em direção à terapia de longo prazo.

Matérias-Primas

Corações artificiais e DAVEs são construídos de uma combinação de metais, polímeros, cerâmicas e componentes biológicos. A liga metálica primária usada é titânio-alumínio-vanádio, escolhida por sua biocompatibilidade e resistência mecânica. Peças de titânio são usinadas com precisão e recebem um revestimento de microesferas que promove endotelização, criando um revestimento sanguíneo natural compatível.

O diafragma da bomba é fabricado a partir de poliuretano texturizado que incentiva adesão de células sanguíneas, reduzindo hemólise. Enxertos de poliéster anexam o dispositivo à aorta, enquanto válvulas cardíacas de porco servem como substituições biológicas para válvulas nativas. Componentes do motor são tipicamente feitos de titânio ou cerâmicas de alta resistência.

Design

Projetar um DAVE requer atenção meticulosa à dinâmica de fluidos para garantir fluxo adequado sem trombose, seleção de materiais verdadeiramente biocompatíveis e otimização de eficiência do motor para limitar geração de calor. Dimensões do dispositivo são mantidas mínimas para reduzir risco de rejeição imune; um DAVE típico pesa cerca de 1,2 kg (2,4 lb) e ocupa 660 ml (1,4 pints).

Robert Jarvik

Nascido em 11 de maio de 1946, em Midland, Michigan, Jarvik cursou arquitetura e desenho mecânico na Syracuse University antes de mudar para pré-medicina após a doença cardíaca de seu pai. Obteve B.A. em zoologia em 1968, depois M.A. em biomecânica ocupacional na New York University em 1971. Após receber seu M.D. em 1976, Jarvik juntou-se ao Instituto de Engenharia Biomédica da Universidade de Utah, onde colaborou com Willem Kolff em pesquisa de coração artificial.

Processo de Fabricação

• Componentes são fabricados sob medida por fornecedores terceirizados especializados, incluindo oficinas de usinagem de precisão e produtores de placas de circuito impresso. Válvulas suínas são costuradas em enxertos de poliéster em instalações dedicadas à fabricação de válvulas cardíacas.

  Após aquisição dos componentes, a montagem do DAVE passa por testes rigorosos para verificar conformidade com todas as especificações. Uma vez aprovado, o dispositivo é esterilizado e embalado para distribuição.

Formação das Peças de Poliuretano

• Alguns fabricantes fabricam diafragmas de poliuretano internamente usando uma solução líquida proprietária aplicada a um mandril cerâmico em camadas sucessivas. Cada camada é curada e seca até que a espessura alvo seja alcançada. A peça finalizada é então removida do mandril e inspecionada. Alternativamente, produtores terceirizados podem empregar moldagem por injeção ou vácuo combinada com solda RF.

Montagem

• Montagem é conduzida em sala limpa estéril para prevenir contaminação. Até 50 componentes de precisão são unidos com adesivos curáveis em alta temperatura. Submontagens paralelas — incluindo carcaça do motor, tubo percutâneo e placas empurradoras do diafragma — são completadas, inspecionadas e finalmente integradas no sistema completo. Enxertos são anexados separadamente durante a etapa final de montagem.

Testes

• Pós-montagem, cada dispositivo passa por testes mecânicos que simulam pressões fisiológicas. Todos os circuitos eletrônicos são avaliados com equipamento de diagnóstico para confirmar operação adequada.

Esterilização e Embalagem

• Após testes bem-sucedidos, o dispositivo é transferido para um serviço externo de esterilização. Cada unidade é selada em bandeja plástica estéril e então colocada em estojo protetor personalizado para envio, salvaguardando-a de contaminação e danos.

Controle de Qualidade

A maioria dos componentes passa por pré-inspeção antes do envio ao fabricante, mas verificações dimensionais com tolerâncias em milionésimos de polegada são realizadas em peças críticas. Para atender regulamentações do FDA, cada componente — incluindo adesivos — é rastreável via lote e números de série, permitindo rastreabilidade total.

Subprodutos / Resíduos

Sucata de titânio é recuperada, refundida e reciclada, minimizando desperdício de metal. Como a maioria das peças passa na pré-inspeção, apenas pequena quantidade de componentes defeituosos é descartada. Dispositivos pós-implantação são retornados ao fabricante para análise, fornecendo dados que impulsionam melhorias iterativas de design.

O Futuro

Na próxima década, uma onda de inovações está prestes a transformar o suporte circulatório mecânico. Pesquisadores da Pennsylvania State University estão desenvolvendo um coração eletromecânico que recebe energia transcutaneamente via energia de radiofrequência, permitindo que pacientes carreguem bateria durante o dia e recarreguem durante a noite. O protótipo está previsto para testes humanos em 2001.

Outros grupos exploram bombas de fluxo contínuo, que eliminam a necessidade de curso mecânico de bomba e reduzem tamanho do dispositivo e consumo de energia. Na Austrália, a Micromedical Industries Limited está avançando uma bomba rotativa de fluxo contínuo esperada para implantação humana em 2001. A Ohio State University está trabalhando em uma bomba plástica auto-regulável do tamanho de um disco de hóquei, projetada para suporte de curto prazo até a recuperação da função cardíaca nativa.

A Thermo Cardiosystems, Inc. está desenvolvendo um DAVE sem mancais com rotor suspenso magneticamente, prometendo durabilidade virtualmente ilimitada. Variantes centrífugas e rotativas de fluxo contínuo estão sendo engenhadas para transferência de energia transcutânea, tornando-as totalmente implantáveis.

Com escassez de corações doadores, substituições permanentes de coração artificial estão ganhando força. DAVEs estão sendo refinados por inventores como Robert Jarvik e cirurgiões como Michael DeBakey. Corações artificiais totais são um esforço conjunto entre o Texas Heart Institute e a Abiomed, Inc. No Japão, equipes de pesquisa estão criando corações totais com válvulas de bola de silicone alimentados por bomba centrífuga com mancais cerâmicos.

Terapias alternativas, como grampos modificadores de forma que podem melhorar a eficiência do coração nativo em até 30%, também estão sob investigação, oferecendo opções minimamente invasivas para pacientes com doença cardíaca estrutural.