Valutazione funzionale di una camera ventricolare innovativa per un cuore totale artificiale

Over the last few decades, despite the progress and innovations implemented by the National Transplant Network, the number of patients on the waiting list for a biological organ transplant remains extremely high. This is partly due to the increase in the expectation and quality of life. Moreover, the number of potential donors has not increased significantly and the quality of the organs available has worsened compared to the past. Currently in Italy, there are about 7200 patients on the waiting list for a "new" heart with an estimated waiting time of 3.6 years: unfortunately, about 20% of these patients cannot get the transplant. The search for new alternative solutions is therefore necessary in order to remedy the shortage of organs in general, and hearts in particular. Therefore, the world of research has been forced to develop new artificial devices capable of partially assisting or completely replacing the heart. The development of new total artificial hearts (TAH), which guarantee the correct functioning of the cardiac circulation, allowed responding to the ever-increasing demand of patients suffering from severe heart failure awaiting a transplant. The total artificial hearts currently on the market ensure good functionality for the survival of patients, but have limitations that affect their quality of life. Among the most important limitations, there is the poor biocompatibility with the consequent need to administer anticoagulant and antiplatelet therapies, and the large dimensions, which prevent the implantation in subjects of slender build. For some years now, the Department of Industrial Engineering of the University of Padua has been undertaking to carry out a research and development project aimed at creating an innovative total artificial heart. The device will possess the following features: small dimensions (to allow implantation in a wider range of patients), improved hemocompatibility (through the use of hybrid materials, both synthetic and biological in nature) and a pumping system that produces the contractions of the ventricular chambers synchronously with pulsatile flow, as occurs in the biological heart. In this thesis project, after an overall illustration of the project objectives and the state of the art, the functional evaluation of the innovative ventricular chamber for the total artificial heart of the University of Padua will be described, in order to ensure adequate functioning parameters with respect to the project requirements.

Nel corso degli ultimi decenni, nonostante i progressi e le innovazioni attuate dalla Rete Nazionale Trapianti, il numero di pazienti in lista di attesa per un trapianto d’organo biologico da donatore rimane estremamente elevato anche a causa dell’innalzamento della aspettativa e della qualità di vita; d’altra parte il numero di potenziali donatori non è aumentato in modo altrettanto significativo e la qualità degli organi reperibili è peggiorata rispetto al passato. Attualmente in Italia, vi sono circa settecentoventi pazienti inseriti in lista d’attesa per un “nuovo” cuore con periodo di attesa stimato di 3,6 anni: purtroppo il 20% circa di questi pazienti non riesce ad arrivare al giorno del trapianto. Si rende dunque necessaria la ricerca di soluzioni alternative al fine di ovviare alla carenza di organi in generale e di cuori in particolare. Tutto ciò ha indotto il mondo della ricerca allo sviluppo di nuovi dispositivi artificiali in grado di assistere parzialmente o sostituire completamente il cuore. Lo sviluppo di nuovi cuori totali artificiali (Total Artificial Heart, TAH) che garantiscano il corretto funzionamento della circolazione cardiaca, nasce per rispondere alla sempre crescente domanda di pazienti affetti da gravi scompensi cardiaci in attesa di trapianto. I cuori totali artificiali attualmente in commercio assicurano una buona funzionalità per la sopravvivenza dei pazienti, ma presentano limiti che vanno ad inficiare la loro qualità di vita. Fra le limitazioni più importanti vi è la scarsa biocompatibilità con la conseguente necessità di assumere terapie anticoagulanti e antiaggreganti e le dimensioni decisamente elevate che impediscono l’impianto in soggetti di corporatura esile. Da alcuni anni, il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università di Padova si sta impegnando a portare avanti un progetto di ricerca e sviluppo volto alla realizzazione di un innovativo cuore totale artificiale. Il dispositivo che si intende realizzare avrà come prerogative: dimensioni più contenute (per consentirne l’impianto in una fascia più ampia di pazienti), una migliorata emocompatibilità (mediante l’impiego di materiali ibridi, di natura sia sintetica che biologica) e un sistema di pompaggio che produca le contrazioni delle camere ventricolari in modo sincrono con flusso pulsatile, come avviene nel cuore biologico. In questo progetto di tesi, dopo una illustrazione complessiva degli obiettivi del progetto e dello stato dell’arte, verrà descritta la valutazione funzionale della camera ventricolare innovativa per il cuore totale artificiale, allo scopo di assicurare parametri di funzionamento adeguati rispetto ai requisiti di progetto.