Polmoni artificiali stampati in 3d da impiantare su pazienti con BPCO

Ricercatori veterani sviluppano polmone artificiale stampato 3D per aiutare a trattare la BPCO

Spesso vediamo la stampa 3D utilizzata per fare la differenza nella vita dei nostri veterani , sia che si tratti di creare allegati  e copertine protesici personalizzati , che li aiuti a tornare al lavoro o semplicemente a fornire un buon paio di scarpe . Ora, gli scienziati del  VA Ann Arbor Health Care System nel Michigan stanno sviluppando un polmone artificiale stampato in 3D che potrebbe aiutare a curare i veterani affetti da malattie polmonari.

La broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) è una delle più diffuse e costose malattie che colpiscono attualmente i veterani statunitensi, con il 16% della popolazione di veterani che soffre: alcuni dei fattori più comuni che portano a problemi polmonari per militari in servizio attivo includono l’esposizione al bruciare dei pozzi, aiprodotti chimici, ai gas di scarico diesel e alla sabbia. Secondo l’ufficio di ricerca e sviluppo della VA , la maggior parte delle persone con BPCO ha un enfisema (sacche aeree polmonari ingrandite e danneggiate) e bronchite cronica, e circa il 20% dei pazienti con gravi lesioni traumatiche cerebrali soffre anche di lesioni polmonari acute.

L’ingegnere biomedico Dr. Joseph Potkay, con il sistema di assistenza sanitaria Ann Arbor di VA, presenta un prototipo 2D di un polmone artificiale. È in produzione una versione 3D.
L’ingegnere biomedico Dr. Joseph Potkay sta conducendo la ricerca, che è finanziata dalla VA  e focalizzata su pazienti che hanno un accumulo di CO2 nel loro sangue, che si applica spesso ai veterani con BPCO allo stadio terminale; questo può portare a morte cardiaca improvvisa, quindi qualsiasi eccesso di CO2 deve essere rimosso dai polmoni in modo che non arrivi a questo punto.

Il dott. Potkay ha a lungo cercato i vantaggi dell’uso della microfabbricazione per costruire polmoni artificiali con scambio di gas efficiente e percorsi del sangue simili a quelli nei polmoni umani. Nel 2011 ha introdotto un prototipo di polmone artificiale stampato in 2D, realizzato con metodi di microfabbricazione tradizionali con l’aiuto di  Case Western Reserve University e  Advanced Platform Technology Center  presso il centro medico Louis Stokes di Cleveland VA. Il prototipo unico era abbastanza efficiente da utilizzare l’aria, anziché l’ossigeno puro, come un gas di ventilazione, che apre nuove possibilità per il potenziale impianto. Il Dr. Potkay afferma che la versione stampata in 3D attualmente in lavorazione “fornirà gli stessi vantaggi di base”.

Il Dr. Potkay ha dichiarato: “Ma con la libertà offerta dalla possibilità di progettare il dispositivo in tre dimensioni anziché in due, la stampa 3D dovrebbe portare a polmoni artificiali con un ingombro complessivo ridotto e con una maggiore efficienza. Pertanto, la portabilità e le prestazioni miglioreranno potenzialmente utilizzando la stampa 3D. ”
Il modello polmonare artificiale di Potkay si basa sulla microfabbricazione per ottenere scambi di gas e percorsi del sangue altamente efficienti simili a quelli di un polmone umano.
Il Dr. Potkay e il suo team stanno lavorando con la società di stampa 3D ad alta risoluzione  Old World Labs per creare un prototipo del polmone artificiale stampato in 3D, che sarà di circa un centimetro cubo, sperando di poterlo inserire in uno zaino e di essere usato per una settimana; tuttavia, dopo un ulteriore sviluppo, la speranza è di far lavorare il polmone per più tempo.

I pazienti affetti da malattie polmonari hanno a lungo utilizzato macchine cuore-polmone che contengono polmoni artificiali per la riabilitazione, ma i dispositivi sono ingombranti e, secondo il dott. Potkay, “non veramente portatili”. Inoltre, devono anche mantenere un’adeguata pressione sanguigna, minimizzare la coagulazione e risposta immunitaria e ridurre le lesioni delle cellule del sangue.

L’obiettivo alla base della ricerca VA è quello di creare il primo polmone artificiale realmente indossabile compatibile con i tessuti viventi e in grado di fornire supporto respiratorio sia a breve che a lungo termine, mentre i polmoni artificiali microfluidici consumano molto meno sangue rispetto agli attuali dispositivi commerciali. Secondo il Dr. Potkay, questa è la prima volta che la stampa 3D polimerica ad alta risoluzione è stata utilizzata per fabbricare polmoni microfluidici con reti di flusso sanguigno 3D.

“Con un design 2D, impili molti singoli layer 2D. Ciò ha limitato la facilità di creare dispositivi sufficientemente grandi per l’uso umano. Hai meno libertà nel modo di progettare i canali del sangue “, ha spiegato la dott.ssa Potkay. “La stampa 3D di questi dispositivi potrebbe essere una soluzione a questi problemi. Possiamo essere molto più precisi ed efficienti su come il percorso del flusso sanguigno è disposto in tre dimensioni.

“Speriamo che questi percorsi di flusso microfluidici e rivestimenti biocompatibili siano più compatibili con i tessuti viventi, riducendo così la risposta immunitaria del corpo e aumentando la durata del dispositivo. La flessibilità nel design offerta dalla stampa 3D ci dà più libertà e quindi la facilità di costruire polmoni artificiali con dimensioni ridotte e cadute di pressione compatibili con le naturali pressioni del corpo “.
Potkay lavora con una stampa di prova di capillari artificiali che farà parte di un polmone artificiale 3D ora in produzione.
Il dottor Potkay non è ancora sicuro di quanto siamo lontani dall’impiantare polmoni stampati in 3D e ha spiegato che il dispositivo era attualmente in fase di test solo nei conigli, con test per pecore programmati per il futuro.

“Vedremo quanto bene in termini di durata. Per essere impiantabile, deve essere in grado di funzionare per mesi senza essere scambiato “, ha spiegato il dottor Potkay.

“Sebbene il polmone artificiale 3D sia più promettente, è ancora in fase di sviluppo e non è ancora garantito il funzionamento. Siamo più avanti nello sviluppo del dispositivo 2D e abbiamo in programma di aggirare le sfide con quel dispositivo. ”
Test con tecniche di microfabbricazione tradizionali e sangue animale hanno mostrato che i polmoni artificiali su piccola scala 2D avevano il “più alto scambio di efficienza del gas di qualsiasi polmone artificiale fino ad oggi” e il dottor Potkay ritiene che ciò si tradurrà anche nella versione stampata in 3D; inoltre, la durata prevista del polmone 2D è “significativamente migliorata” grazie ai suoi rivestimenti superficiali biocompatibili.

Il Dr. Potkay ha dichiarato: “Riteniamo che il dispositivo con stampa 3D debba essere migliore della versione 2D, ma non abbiamo ancora le prove.”
Il polmone stampato in 3D potrebbe anche essere usato come soluzione temporanea per le persone con altre malattie polmonari, come la sindrome da distress respiratorio acuto.

“Dipenderà in gran parte dalle esigenze del paziente. La rimozione di CO2 nel sangue è la prima applicazione Veteran a cui miriamo perché è la più semplice in termini di utilizzo del paziente, componenti necessari e dimensioni del dispositivo. La rimozione di CO2 è un’esigenza critica per molti veterani con BPCO “, ha detto il dottor Potkay.

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