Inginerii de la Harvard dezvoltă metode rapide pentru fabricarea grefelor de vase de sânge personalizate
Leziunile traumatice, fie că apar pe câmpul de luptă sau în urma unui accident de mașină, implică adesea vase de sânge deteriorate care necesită reparare imediată.
Cercetările recente desfășurate de bioingineri de la Harvard își propun să accelereze aceste tratamente medicale critice și să le personalizeze, având potențialul de a salva vieți și de a avansa tehnologia biomedicală.
O echipă din laboratorul lui Kevin Kit Parker, profesor la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), a dezvoltat o metodă rapidă de creare a grefelor sintetice de vase de sânge personalizate, în doar câteva minute, suficient de rapidă încât chirurgii ar putea fabrica un implant chiar în sala de operație. Lucrările, coordonate de Michael Peters, fost student la doctorat în laboratorul lui Parker și acum cercetător vizitator la SEAS, au fost prezentate pe coperta unei ediții recente a revistei Advanced Materials.
Boli vasculare și traumele sunt cauze majore de deces și dizabilitate la nivel global, iar chirurgii trebuie adesea să înlocuiască secțiuni deteriorate ale vaselor de sânge sau să ocolească segmente bolnave. Însă, pentru vasele de dimensiuni mici, adesea implicate în astfel de proceduri, opțiunile sunt extrem de limitate.
„Pentru vasele cu un diametru mai mic de 6 milimetri, nu există implanturi aprobate clinic”, a afirmat Peters, care este acum cercetător științific la NTT Research, organizație care a avut o colaborare îndelungată cu laboratorul lui Parker și care a sprijinit acest proiect. Practica existentă în chirurgia vasculară include grefele autologe, prelevate din alte părți ale corpului pacientului, o procedură invazivă care poate să nu corespundă dimensiunii, formei sau calității necesare vasului afectat.
Pentru a depăși aceste limitări, echipa a utilizat o platformă de fabricație aditivă numită Focused Rotary Jet Spinning. Această tehnică, dezvoltată inițial în laboratorul lui Parker pentru a construi modele de inimă in vitro, implică rotirea rapidă și jeturi de aer concentrate pentru a transforma soluții polimerice lichide în fibre ultra-subțiri, care sunt depuse pe un colector rotativ. Fibrele se asamblează în schelete tubulare ce seamănă cu vasele de sânge naturale.
Studiul recent demonstrează că tehnica jet spinning poate produce rapid grefe vasculare mici cu diametre și grosimi ale pereților controlate cu precizie, astfel încât, în principiu, o grefă ar putea fi fabricată la cerere. În situații de traumă acută, timpul este crucial când arterele și venele sunt deteriorate, iar presiunea arterială ridicată poate duce la pierderi de sânge.
„Încercăm să susținem ceea ce numim ‘fabricație intraoperatorie’”, a declarat Peters. „Vitezele de fabricație și personalizarea platformelor noastre de fabricație pot permite realizarea grefelor adaptate unei leziuni specifice sau unui pacient specific.”
În afara chirurgiei traumatice, echipa preconizează aplicații și în chirurgia pediatrică a inimii, unde copiii născuți cu defecte congenitale ale inimii se confruntă adesea cu intervenții chirurgicale foarte individualizate și complexe.
Grefele vasculare din studiu sunt fabricate dintr-un copolimer sintetic de acid polilactic și policaprolactonă. Procesul de rotire aranjează acest material moale și flexibil în fibre la scară nano și micro, care seamănă îndeaproape cu matricea extracelulară a corpului.
Odată implantate, grefele oferă forța mecanică necesară pentru a rezista presiunii sanguine și pentru a menține structura vasului. În timp, scheletul sintetic se degradează, iar celulele proprii ale pacientului reconstruiesc țesutul. Un obiectiv esențial este accelerarea endothelizării, adică acoperirea rapidă a peretelui interior al grefei cu celulele specializate care favorizează fluxul de sânge lin. Peters a menționat că materialul și structura grefelor sunt concepute pentru a limita coagularea și alte complicații întâlnite cu grefele sintetice existente.
În noul studiu, cercetătorii au utilizat platforma lor pentru a fabrica grefe de dimensiuni de centimetri, potrivite pentru intervenții chirurgicale pe animale mici, un efort coordonat de Dr. Melanie Generali și colaboratori elvețieni de la Institutul de Medicină Regenerativă al Universității din Zurich.
„Dorim să extindem studiul la modele de animale mai mari și să vedem cum performează aceste grefe în diferite condiții hemodinamice, la diferite presiuni și rate volumetrice de flux pe perioade mai lungi de timp”, a declarat Peters.
Parker a exprimat viziunea unui viitor în care pacienții cu nevoi medicale specifice sunt salvați prin implanturi fabricate pe măsură în spital.
„Dentiștii fac deja asta cu imprimarea 3D. În cazul platformelor noastre de fabricație aditivă de înaltă viteză, dacă discutăm despre salvarea membrelor sau repararea unei inimi deteriorate sau deformate, ne apropiem de ziua în care standardele de bune practici de fabricație necesare FDA pot fi respectate în sala de operație, în timp ce pacientul se află pe masa de operație.”
