Tessuto muscolare artificiale per ripristinare la funzione cardiaca
L’insufficienza cardiaca e la fibrillazione atriale, caratterizzate da ritmi irregolari del battito cardiaco che compromettono il flusso sanguigno e aumentano il rischio che si formino coaguli, sono entrambe associate a una scarsa funzione meccanica del cuore. La fibrillazione atriale, ad esempio, può verificarsi quando le camere superiori di tale organo battono in modo irregolare e rapido, determinando un battito cardiaco disorganizzato. Sebbene siano stati compiuti progressi in termini di prevenzione della trombosi e di controllo della disfunzione elettrica nei pazienti affetti da fibrillazione atriale, i trattamenti medici o chirurgici attualmente a disposizione spesso non sono in grado di ripristinare le normali prestazioni meccaniche muscolari.
Ripristinare la funzione meccanica del cuore
Il progetto REPAIR(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, ha cercato di affrontare questa sfida sostenendo o ripristinando la funzione meccanica cardiaca attraverso l’impiego di materiali intelligenti. A tal fine, il progetto ha sviluppato un «muscolo» artificiale migliorato a base di elastomero cristallino liquido (ECL) che risponde a stimoli esterni per generare movimento o tensione. «Il consorzio del progetto si è basato sui risultati preliminari relativi allo sfruttamento degli ECL quando vengono esposti alla luce», spiega Elisabetta Cerbai, coordinatrice del progetto REPAIR e ricercatrice presso l’Università di Firenze(si apre in una nuova finestra). «In seguito all’applicazione della luce a una specifica lunghezza d’onda, il materiale cambia forma e si contrae come un tessuto cardiaco.» Il progetto si è proposto di migliorare le proprietà e le capacità di cui sono dotati gli ECL al fine di supportare in maniera più efficace la salute del cuore, un risultato ottenuto riunendo competenze in materia di biomeccanica cardiaca, fisiopatologia e tecnologia dei materiali intelligenti all’avanguardia. REPAIR ha sviluppato materiali intelligenti a base di ECL e un’unità di controllo esterna collegata, nota come unità biocontrattile (BCU, Bio-Contractile Unit), che modula la quantità di stimolazione luminosa necessaria, agendo come una sorta di dispositivo di assistenza cardiaca «regolabile». Il prototipo è stato successivamente dimostrato ex vivo in modelli animali.
Un materiale efficiente a base di ECL
Il team del progetto ha sviluppato con successo un materiale a base di ECL ad alta efficienza energetica che, quando viene eccitato da fonti luminose, può essere integrato nell’unità contrattile. «Abbiamo fatto progredire le nostre conoscenze su come ottimizzare questi materiali e sulle modalità con cui farli contrarre in modo simile alle cellule muscolari», spiega Camilla Parmeggiani, un’altra ricercatrice dell’Università di Firenze che ha rivestito il ruolo di co-coordinatrice del progetto. «Abbiamo inoltre accelerato la preparazione dei muscoli artificiali attraverso la stampa 3D, rendendone facile l’accesso a grandi quantità.» Anche il dispositivo esterno prototipo è stato sviluppato con successo, sebbene sia necessario svolgere ulteriori lavori prima di poterlo testare in vivo. «Non esiste nulla di paragonabile a questo dispositivo pionieristico», continua Parmeggiani. «Si è trattato di un grande sforzo collaborativo che ha fuso competenze ingegneristiche, tecnologiche, chimiche e biofisiche.»
La nuova generazione di dispositivi di assistenza cardiaca
La speranza a lungo termine è che il successo delle sperimentazioni in vivo apra infine la strada alla prossima generazione di dispositivi di assistenza cardiaca. Il dispositivo esterno regolabile sviluppato dal progetto REPAIR e la capacità di stampare in 3D il materiale intelligente per soddisfare le esigenze individuali implicano la possibilità di adattare le terapie a seconda dei pazienti specifici. Tra i prossimi passi figurano l’integrazione di materiali intelligenti(si apre in una nuova finestra) con le cellule staminali e il tentativo di ridurre le dimensioni del dispositivo di controllo esterno; per di più, il consorzio sta valutando la possibilità di applicare la tecnologia ad altri tipi di tessuto. «Questa tecnologia potrebbe essere applicata all’intestino o ad altre strutture come le vene, dove il tessuto potrebbe avere bisogno di contrarsi o di dilatarsi», conclude Cerbai. Il progetto ha pubblicato(si apre in una nuova finestra) gran parte del suo lavoro e molti dei dati sono liberamente accessibili attraverso l’Open Data(si apre in una nuova finestra) Research Tool di REPAIR.
