Przywracanie funkcji serca dzięki sztucznej tkance mięśniowej
Niewydolność serca i migotanie przedsionków – nieregularne rytmy bicia serca, które upośledzają przepływ krwi i zwiększają ryzyko tworzenia się skrzeplin – są związane z upośledzoną funkcją mechaniczną serca. Na przykład migotanie przedsionków może wystąpić, gdy górne jamy serca biją nieregularnie i szybko, dezorganizując pracę całego narządu. Chociaż dokonano istotnego postępu w zapobieganiu zakrzepicy i kontroli dysfunkcji elektrycznej u pacjentów z migotaniem przedsionków, współczesne metody leczenia medycznego lub chirurgicznego często nie są w stanie przywrócić prawidłowej mechanicznej sprawności mięśnia sercowego.
Przywracanie funkcji mechanicznych serca
Finansowany ze środków UE projekt REPAIR(odnośnik otworzy się w nowym oknie) miał na celu sprostanie temu wyzwaniu poprzez wspieranie lub przywracanie funkcji mechanicznych serca przy użyciu inteligentnych materiałów. W tym celu opracowano ulepszony sztuczny „mięsień“ na bazie ciekłokrystalicznego elastomeru (ang. liquid crystalline elastomer, LCE), który reaguje na bodźce zewnętrzne, generując ruch lub napięcie. „Konsorcjum projektu oparło się na wstępnych wynikach wykorzystania LCE po wystawieniu go na działanie światła“, wyjaśnia koordynatorka projektu REPAIR Elisabetta Cerbai z Uniwersytetu Florenckiego(odnośnik otworzy się w nowym oknie) we Włoszech. „Wykorzystanie światła o określonej długości fali umożliwia materiałowi zmianę kształtu i kurczenie się niczym tkanka serca“. Projekt REPAIR miał na celu udoskonalenie właściwości i możliwości LCE z myślą o skuteczniejszym wspieraniu zdrowia serca. Cel ten osiągnięto dzięki połączeniu wiedzy z zakresu biomechaniki serca, patofizjologii i najnowocześniejszej technologii inteligentnych materiałów. Powstały dzięki temu inteligentne materiały oparte na LCE wraz z podłączoną zewnętrzną jednostką sterującą. Ta biofunkcjonalna jednostka kurczliwa (ang. Bio-Contractile Unit, BCU) moduluje wielkość potrzebnej stymulacji świetlnej, działając jako rodzaj „przestrajalnego“ urządzenia wspomagającego pracę serca. Prototyp przeszedł już testy demonstracyjne ex vivo w modelach zwierzęcych.
Wydajny materiał na bazie LCE
Zespół projektu z powodzeniem opracował udoskonalony, energooszczędny materiał na bazie LCE, który po wzbudzeniu przez światło może zostać zintegrowany z jednostką kurczliwą. „Rozwinęliśmy naszą wiedzę na temat tego, jak zoptymalizować te materiały i sprawić, by kurczyły się w sposób podobny do komórek mięśniowych“, mówi koordynatorka projektu Camilla Parmeggiani z Uniwersytetu we Florencji. „Przyspieszyliśmy również przygotowanie sztucznych mięśni poprzez drukowanie 3D, dzięki czemu są one łatwo dostępne w dużych ilościach“. Badacze z powodzeniem opracowali prototyp urządzenia zewnętrznego, jednak prace nad nim wciąż trwają i dopiero po ich zakończeniu prototyp będzie można przetestować w warunkach in vivo. „Nic nie może się równać z tym pionierskim urządzeniem“, przekonuje Parmeggiani. „To był wielki wysiłek, w ramach którego swoje siły połączyli specjaliści z dziedziny inżynierii, technologii, chemii i biofizyki“.
Nowa generacja urządzeń wspomagających pracę serca
Patrząc w przyszłość, badacze mają nadzieję, że udane próby in vivo ostatecznie utorują drogę dla nowej generacji urządzeń wspomagających pracę serca. Przestrajalne urządzenie zewnętrzne opracowane w ramach pionierskiego projektu REPAIR, wraz z możliwością drukowania 3D inteligentnego materiału w celu dostosowania go do indywidualnych potrzeb, oznacza, że terapie będą mogły być dostosowywane do konkretnych pacjentów. Kolejne kroki obejmują łączenie inteligentnych materiałów(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z komórkami macierzystymi i próbę zmniejszenia wielkości zewnętrznego urządzenia sterującego. Konsorcjum bada również potencjał zastosowania tej technologii do innych rodzajów tkanek. „Naszą technologię można by wykorzystać również w jelitach lub innych strukturach, takich jak żyły, w których tkanka kurczy się lub rozszerza“, dodaje Cerbai. Znaczna część wniosków z projektu została opublikowana(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a wiele danych zostało udostępnionych za pośrednictwem narzędzia badawczego REPAIR opartego na otwartych danych(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
