Coração Artificial
Fundo
Um coração tem duas bombas, cada uma com duas câmaras. O átrio direito bombeia sangue esgotado de 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. Com cada batimento cardíaco, os dois átrios se contraem, seguidos pelos grandes ventrículos.
a insuficiência cardíaca congestiva, que é a capacidade em constante declínio do coração de bombear sangue, é uma das principais causas de morte. Esta doença é causada por danos repentinos de ataques cardíacos, deterioração de infecções virais, mau funcionamento das válvulas, pressão alta e outros problemas. De acordo com a American Heart Association, estima-se que cinco milhões de americanos estão vivendo com insuficiência cardíaca e mais de 400.000 novos casos são diagnosticados a cada ano. Cerca de 50% de todos os pacientes morrem dentro de 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 um transplante de órgão. Em 1998, cerca de 7.700 americanos estavam na lista nacional de transplante de coração, mas apenas 30% receberam transplantes. Corações artificiais e dispositivos de assistência à Bomba foram desenvolvidos como alternativas potenciais.
um coração artificial mantém a circulação sanguínea e a oxigenação do coração por vários períodos de tempo. O coração artificial ideal deve bater 100.000 vezes a cada 24 horas sem exigir lubrificação nem 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 corações artificiais 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 sangue fluindo enquanto o coração é operado. Esta máquina só pode operar por algumas horas, uma vez que o sangue fica danificado após mais tempo.
um coração mecânico é projetado para reduzir a carga total de trabalho de um coração que não pode mais trabalhar em sua capacidade normal. Esses corações consistem em equipamentos que pulsa o sangue entre os batimentos cardíacos ou usam um ventrículo auxiliar artificial (dispositivo de assistência do 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 desses 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 no sangue e remover o dióxido de carbono excessivo, bem como uma bomba para suplantar temporariamente a ação do coração. Demorou quase 100 anos até 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) no mundo ocidental foi implantado dentro de um cão. O Instituto Nacional do coração
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 o sangue em 1970. Durante esse 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. Várias bombas de poliuretano e plástico de longotempo de vida também foram desenvolvidas. Durante a década de 1980, a Food and Drug Administration (FDA) impôs regras mais restritivas à Lei de padrões de dispositivos médicos, levando a maiores custos de desenvolvimento. Muitos grupos de pesquisa tiveram que desistir, restando apenas alguns 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 usou dois diafragmas de borracha para a ação de bombeamento. Um compressor externo do tamanho de uma geladeira manteve o coração artificial batendo. Barney Clark foi o primeiro paciente a receber esse coração. Ele sobreviveu 112 dias antes que complicações físicas causadas pelo implante tirassem sua vida. Em 1986, William Schroeder tornou-se o segundo destinatário 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, os Institutos Nacionais de saúde começaram a financiar o desenvolvimento de tais corações e apoiavam esse programa em 1991, totalizando US $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 liberado de um hospital com esse dispositivo. Outros corações artificiais de vários projetos estão sendo testados atualmente.
matérias-primas
um coração artificial ou LVAD é feito de metal, plástico, cerâmica e peças de animais. Uma liga de titânio-alumínio-vanádio é usada para a bomba e outras peças metálicas porque é biocompatível e tem propriedades estruturais adequadas. As peças de titânio são fundidas em um processador de titânio especializado. Exceto para superfícies de contato com o sangue, o titânio é usinado para um acabamento específico. As superfícies de 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 válvulas cardíacas reais 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 sanguíneo 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 gm) e tem um volume de 1,4 litros (660 ml).
Jarvik candidatou-se 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 médico 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 Jarvik-7 corações, mas nenhum viveu mais de 620 dias. Os principais benefícios eram que não haveria uma espera por um coração humano e não havia chance de rejeição. A armadilha óbvia sendo os pacientes estavam sempre conectados a uma máquina de ar comprimido por meio de tubos.
o Jarvik-7 acabou sendo usado como uma medida de parada para pacientes que aguardam corações naturais e forneceu esperança de que não haveria espera para transplantes. Em 1998, Jarvik continuou a trabalhar em um dispositivo autônomo a ser implantado no coração doente de uma pessoa para fazê-lo funcionar corretamente.
O Processo de Fabricação
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1 a Maioria dos componentes são feitos para especificações personalizadas por fabricantes terceiros, incluindo máquina de lojas e placa de circuito impresso fabricantes. As válvulas suínas 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. Uma vez testado, o LVAD pode ser esterilizado e embalado para envio.
formando as peças de poliuretano
- 2 Alguns fabricantes de coração artificial fazem suas próprias peças de poliuretano. Um processo usa uma solução líquida proprietária que é derramada sobre um mandril cerâmico 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 montar e testar. O processo de montagem é realizado em uma 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 do alojamento e componentes do motor, a montagem do tubo percutâneo e a fixação das placas do empurrador ao diafragma de poliuretano. Esses subsistemas são inspecionados individualmente e, em seguida, ocorre a montagem final do sistema completo. Os enxertos são montados separadamente e fixados durante a operação.
testes
- 4 Após a conclusão da montagem, cada dispositivo é testado usando equipamentos especiais que simulam pressões no corpo. Todos os componentes eletrônicos são testados com equipamento de teste eletrônico para garantir a função adequada de todos os circuitos.
Esterilização/embalagem
- 5 Depois que o coração artificial é testado e passa, ele é enviado para um serviço externo para a esterilização. Cada dispositivo é selado em bandejas plásticas e devolvido ao fabricante do coração. Em seguida, é embalado em Malas Personalizadas para protegê-lo da contaminação e evitar danos.
Controle de qualidade
a maioria dos componentes já passou na inspeção antes de chegar ao fabricante do coração. Alguns componentes ainda são inspecionados dimensionalmente, pois exigem tolerâncias apertadas-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 os problemas de rastreamento sejam possíveis.
subprodutos/resíduos
a sucata de titânio é recuperada e reciclada após a refusão e reformulação. Caso contrário, pouco desperdício é produzido, pois a maioria dos componentes passou na inspeção antes de deixar os 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, vários novos dispositivos chegarão ao mercado. Pesquisadores da Pennsylvania State University estão desenvolvendo um coração eletromecânico alimentado por energia de radiofrequência que é transmitida através da pele. Um motor aciona placas de pressão, que se alternam na pressão 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 até 2001.
vários grupos de pesquisa estão desenvolvendo bombas que circulam sangue continuamente, em vez 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 até 2001. O Departamento de Cardiologia da Ohio State University está desenvolvendo uma bomba de plástico do tamanho de um disco de hóquei que é auto-regulado. Esta bomba é implantada em pacientes por várias semanas até que seu próprio coração se recupere.
Thermo Cardiosystems, Inc. também está trabalhando em um LVAD com uma bomba rotativa de fluxo contínuo), esperado para ser implantado em algum momento em 2000, e um LVAD com uma bomba centrífuga de fluxo contínuo. Este último ainda está em fase de desenvolvimento inicial, mas está planejado para ser a primeira bomba sem rolamento do mundo, o que significa que não terá peças que usem. 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 doadores se tornando 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 artificial total, dependendo da condição física do paciente. LVADs estão sendo desenvolvidos pelo inventor Robert Jarvik e pelo renomado cirurgião cardíaco Michael DeBakey. A Total artificial hearts está sendo desenvolvida em conjunto pelo Texas Heart Institute e pela Abiomed, Inc. em Massachusetts. No Japão, os pesquisadores estão desenvolvendo corações artificiais totais baseados em um sistema de válvula de esfera de silicone e uma bomba centrífuga com um sistema de rolamento feito de componentes de cerâmica de alumina e 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 deve melhorar a eficiência do bombeamento em até 30%. Tal dispositivo requer cirurgia invasiva mínima para implantar.
Onde Aprender Mais
Periódicos
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outros
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— Laurel M. Sheppard