Válvulas cardíacas artificiales bioinspiradas fabricadas por la fabricación de aditivos de silicona

el implante sintético Preeflow® eco-PEN300 "imprime"..

En un proceso de fabricación aditivo, se crean modelos de válvulas de corazón virtuales con la ayuda de una tomografía computarizada y un dispensador de un componente preflujo eco-PEN300: Fergal Coulter del "Grupo de Materiales Complejos" de la ETH Zurich llevó a cabo investigaciones para la tecnología médica, más precisamente para la fabricación aditiva de válvulas cardíacas artificiales. Se fabricaron utilizando polisiloxanos de grado médico personalizados, junto con productos químicos que dieron lugar a siliconas rígidas, medias o blandas tras la polimerización activada por los rayos ultravioleta. Estos materiales cumplen con las normas de biocompatibilidad para la citotoxicidad, así como para la irritación y la sensibilización de la piel. (Fuente: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30038-4 )

Un proceso para resultados personalizados

Se produce un mandril impreso en 3D personalizado, derivado del escáner C/T de un paciente. Como uno de los varios pasos de producción, una parte de la válvula de corazón artificial se aplica usando el dispensador de eco-PEN. El dispensador también se utiliza para imprimir fibras de refuerzo de silicona en los folletos y luego fortalecer los bordes. Las áreas no foliares de la válvula (los "triángulos intraaórticos") se construyen de acuerdo con el escaneo de la raíz aórtica del paciente. Luego la silicona se reticula con luz UV. En el segundo paso, se crea un molde de silicona de la raíz aórtica. Se utiliza un alginato para encapsular temporalmente la válvula. El tapón protege las valvas de la válvula y permite aplicar una vasculatura artificial colgante y un stent integrado. Para ello, el conjunto se escanea con un láser unidimensional. La superficie se recrea virtualmente por ordenador. Y se calculan las trayectorias de las herramientas para una geometría de stent auxiliar. Después, el eco-PEN300 se utiliza de nuevo para la impresión: Los puntales impresos tienen un grosor de unos 0,3 mm. Ahora el mandril de la válvula puede ser removido. El tapón de alginato se retira por deshidratación en el horno. Dependiendo de si se roció un recubrimiento como paso intermedio o no, el resultado final es una válvula cardíaca artificial específica para el paciente con un stent aórtico cubierto o con ventana

El diseño de las válvulas cardíacas completas está inspirado en la biología humana (válvulas de 3 hojas). Dependiendo de los requerimientos, se implementa una geometría individual para obtener un producto sintético hecho a medida. A través de la fabricación digital, una válvula artificial se crea como un implante funcional. A diferencia de las válvulas cardíacas mecánicas y las válvulas de tejido existentes, este método se considera prometedor para aplicaciones futuras

Las razones de las prometedoras aplicaciones futuras

▪ Las válvulas cardíacas completamente individuales son posibles (basado en una tomografía computarizada de la propia válvula cardíaca del paciente).

▪ Los productos son de fabricación barata.

▪ Debido a los materiales utilizados, los inmunosupresores (diluyentes de la sangre) pueden no ser necesarios en el futuro.

▪ No sólo el diseño y la geometría de la válvula cardíaca impresa es similar a su contraparte biológica, sino también su funcionalidad, que ha sido probada en detalle en la presión sanguínea fisiológica en los experimentos de Coulter.

▪ La válvula cardíaca impresa reforzada con fibra tiene un menor estrés mecánico y una hemodinámica sobresaliente (= ciencia del movimiento de la sangre en el sistema vascular).

el eco-PEN imprime la válvula del corazón y el stent

La tarea del dispensador de eco-PEN es asegurar la estabilidad de la válvula del corazón y de las válvulas atrioventriculares. De modo que el sistema no se colapse cuando se utiliza en condiciones fisiológicas. Como se ha descrito anteriormente, el eco-PEN300 imprime una parte de la válvula del corazón así como un stent (= implante médico para mantener abiertos los vasos u órganos huecos) o una estructura similar a un stent para la estabilidad. Por lo tanto, el eco-PEN también construye el marco para la válvula del corazón.

Para la aplicación en esta área sensible, es importante una precisión perfectamente consistente en el área de la microdistribución: Debe garantizarse la repetibilidad en la dispensación de cantidades tan pequeñas. Aquí los ligeros dispensadores de preflujo fueron capaces de convencer. Como la aguja debe apuntar siempre perpendicularmente al mandril fabricado con precisión, la tecnología de dispensación preflujo se complementa con un ágil sistema robótico.

Fergal Coulter sobre el trabajo con el dispensador de preflujo: "El eco-PEN es un excelente extrusor cuando se imprime con múltiples materiales diferentes que tienen diferentes viscosidades y propiedades reológicas. La precisa dispensación volumétrica del bolígrafo elimina la variación en el flujo del extruido durante las impresiones largas y reduce el tiempo empleado en la adaptación de los perfiles de presión para lograr un flujo de material constante"

Una visión general de las ventajas de los dispensadores de preflujo de alta precisión

▪ Simple y flexiblemente adaptable a las geometrías individuales

▪ Fácil integración (el eco-PEN300 se utiliza con un espacio de 300 µm y perpendicular a la curvatura de la superficie a cubrir)

▪ Cantidades de dispensación más pequeñas con una repetibilidad absoluta de > 99 %

El proceso puede verse claramente en este video: https://youtu.be/dvGsNAQ_yVA?t=40

Para cumplir con los requisitos del mercado de la impresión en 3D, ViscoTec ha establecido su propia Fabricación de Aditivos de Desarrollo Empresarial en 2016. El portafolio se ha ampliado: Mientras tanto, se han desarrollado varios cabezales de impresión 3D, que pueden imprimir tanto fluidos como pastas de uno o dos componentes y son aún más adecuados para la fabricación de aditivos.

Visión para el futuro

Una visión de Fergal Coulter para futuras investigaciones: Podría ser posible imprimir células madre (incorporar células madre) y por lo tanto integrarlas en la válvula - para que coincidan con la morfología

Esto es todavía un sueño del futuro, pero ya hay ideas iniciales para usar hidrogeles cargados de células en la impresión 3D. Uno de estos proyectos también se llevó a cabo con la ayuda de un eco-PEN de flujo previo: Se dispensaron células vivas sin dañarlas. Para las ranuras de ventilación "vivas" en la ropa deportiva. Más información puede ser encontrada aquí: https://www.preeflow.com/en/3d-printing-of-fluids/