Una valvola aortica di nuova generazione, fabbricata grazie a una piattaforma robotizzata ad alta riproducibilità, da impiantare con tecniche di chirurgia mininvasiva attraverso un braccio (ovviamente) robotico. E’ complesso e ambizioso il progetto ValveTech, tra i vincitori del bando Fas Salute della Regione Toscana, naturale proseguo di un altro progetto (3D valve) a sua volta sostenuto da risorse regionali (Bando Unico R&S 2012). L’universo di riferimento è quello delle valvole polimeriche di nuova concezione, pensate per ovviare a tutti quei limiti e a quelle criticità che i dispositivi cardiovascolari attualmente in commercio portano con sé. Parliamo principalmente di condizioni di flusso non fisiologiche e obbligo di terapie anticoagulanti per le valvole meccaniche, problemi di calcificazione e durata per le biologiche. E poi c’è il costo, che è considerevole, e che il progetto ValveTech mira invece a contenere sia attraverso la scelta del materiale di impiego che della tecnica di fabbricazione. A tirare le fila, mettere a punto il mix perfetto tra policarbonato uretano e silicone, ideare calchi e realizzare prototipi attraverso la tecnologia spray c’è il dottor Giorgio Soldani, coordinatore del progetto e responsabile del Laboratorio di Biomateriali dell’Istituto di Fisiologia Clinica del CNR (IFC-CNR) di Massa. Tanti i partner universitari e di impresa che hanno percorso con lui un pezzo di strada (sulla valvola polimerica a corpo unico c’è già un brevetto al 50% tra CNR e l’Humanitas) o che si inseriranno per rendere questo progetto ancora più innovativo.

L’interesse di ricerca sulle valvole cardiache continua. A che punto siete arrivati con “3D valve” e dove volete arrivare con questa nuova progettualità?
Lo scopo del primo progetto di ricerca era quello di arrivare a realizzare una valvola cardiaca polimerica (vpc) a corpo unico, senza punti di sutura, che utilizzasse un materiale innovativo e venisse realizzata attraverso una tecnologia spray-robotizzata in grado di ricoprire con precisione un calco generato attraverso modellizzazione e simulazione 3D. Questo obiettivo è stato raggiunto. Prima abbiamo selezionato e messo a punto il materiale (policarbonato uretano contenente silicone) e lo abbiamo sottoposto a test severi di degradazione idrolitica, di calcificazione, di biocompatibilità e di emocompatibilità, in vitro e in vivo, ottenendo ottimi risultati. Poi abbiamo proseguito lavorando sulle geometrie dei foglietti valvolari, per renderle simili a quella della valvola aortica naturale e ridurre così al minimo Ie complicazioni trombo emboliche. Nella parte di modellazione CAD 3D è stata importante la collaborazione con Scienzia Machinale, impresa del Polo Tecnologico di Navacchio, che ci ha permesso di ottenere calchi e contro calchi a prototipazione rapida fabbricati tramite stampante 3D. Abbiamo lavorato molto sulla tecnica spray a inversione di fase per arrivare a fabbricare, tramite una “Spray-Machine”, una valvola a corpo unico.

Come avete provato se le valvole funzionano?
Le nostre vpc sono state sottoposte a test idrodinamici e a fatica in apposite macchine di prova. AIcuni campioni hanno superato i 50 milioni di cicli in un test accelerato (1000 bpm), corrispondenti a circa 17 mesi di impianto in vivo. Per quanto riguarda la sperimentazione in vivo, da gennaio scorso la nostra valvola è stata impiantata al Centro di Cardio-Chirurgia Sperimentale dell'Università di Leuven in Belgio, nel cuore di tre pecore, in posizione mitralica. Nonostante la posizione severa, perché sottoposta a forte pressione, la valvola sta funzionando, non presenta problemi di calcificazione e i controlli eco-doppler hanno mostrato, fino ad ora, un buon funzionamento senza somministrazione di farmaci anticoagulanti. Alla fine di luglio potremo parlare dell’esito, quando le valvole saranno espiantate. Per adesso possiamo solo dire di essere ottimisti.

Il progetto 3D valve prevedeva un intervento di chirurgia tradizionale. Con ValveTech guardate invece a tecniche mini-invasive.
Esatto, qui entriamo nell’ambito del nuovo progetto, che mira a superare l’intervento a torace aperto e guarda alla chirurgia mini-invasiva. Adesso, la valvola polimerica a corpo unico che abbiamo brevettato prevede comunque una protesi (stent) di supporto, per cui è abbastanza rigida, come quelle tradizionali. La nostra nuova valvola avrà invece delle caratteristiche di flessibilità per essere facilmente applicabile sotto navigazione chirurgica e guida endoscopica in modo mini-invasivo e, a questo scopo, serve un dispositivo che sia ripiegabile ed espandibile. Dal confronto dei partner tecnologici del progetto ValveTech con i cardiochirurghi dell’Unità Operativa di Cardiochirurgia Adulti della Fondazione Toscana “G. Monasterio” di Massa, è nata l’idea di sviluppare un braccio robotico in grado di raggiungere il sito di intervento e posizionare la valvola in modo sicuro ed efficace.

Occorrerà ripartire da capo con la fabbricazione della valvola, dunque?
Non del tutto, il materiale di partenza che vogliamo usare sarà fondamentalmente lo stesso, studieremo più approfonditamente le interazioni chimiche tra le componenti del materiale al fine di ottenere miscele maggiormente omogenee. Lavoreremo anche all’ottimizzazione del design dei lembi valvolari, per ridurne lo spessore e facilitare le fasi di apertura/chiusura del dispositivo, così come andrà perfezionata la fase di automatizzazione del processo di fabbricazione robotizzata per coniugare riproducibilità e caratteristiche di superficie. Ci servirà anche uno stent più flessibile, in modo che possa essere piegato, ma in grado poi di riespandersi. La nuova valvola, in sostanza, dovrà auto sostenersi attraverso l’espansione di una “gabbia” di cromo-cobalto, che dovrà garantire l’impianto della protesi senza punti di sutura e senza deterioramento dei lembi durante la fase di crimpaggio.

Qui sorge il primo problema, quello del posizionamento nello spazio con coordinate complesse.
Si tratta di una fase delicata perché le valvole di questo tipo vengono inserite attualmente con procedura manuale dal chirurgo in una posizione ritenuta quanto più possibile allineata con l’anello nativo ortogonalmente al flusso sanguigno che la attraversa. Il corretto funzionamento meccanico e fluidodinamico della valvola verrà inizialmente valutato sia con simulazioni numeriche agli elementi finiti (modelli in-silico) sia con appositi simulatori di flusso (modelli in-vitro) su anatomie paziente-specifiche realizzate mediante stampa 3D presso il laboratorio di ingegneria BioCardioLab della Fondazione “G. Monasterio” di Massa.

Ed è in questa fase che potrebbe venire in aiuto il braccio robotico.
Sì, qui entra in campo l’eccellenza dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Sant’Anna di Pisa, nostro partner di progetto. Il Prof. Paolo Dario e il suo team lavoreranno alla realizzazione di un manipolatore robotico per poter guidare il posizionamento e provvedere al fissaggio della valvola in sede. Questo sarà un sistema modulare, con un braccio esterno di ancoraggio per un posizionamento di massima rispetto all’anatomia del paziente, un manipolatore flessibile che permetta il raggiungimento della sede valvolare anche sotto angolazioni diverse, e un sistema di rilascio e posizionamento fine ispirato a quelli in uso per il rilascio di stent vasTAGS: persone, medical devices, robot, Istituto di BioRobotica, Bando Fas "Salute" 2014, Fas salute, CNR, valvola , valvola aortica, ValveTech, Istituto di Fisiologia Clinica , articoloblog