Des chercheurs du MIT impriment en 3D des répliques de cœur personnalisées qui pompent comme un cœur humain

Les ingénieurs du MIT espèrent aider les médecins à adapter les traitements à la forme et à la fonction cardiaques spécifiques des patients, grâce à un cœur robotisé personnalisé. L’équipe a mis au point une procédure permettant d’imprimer en 3D une réplique souple et flexible du cœur d’un patient. Elle peut ensuite contrôler l’action de la réplique pour imiter la capacité de pompage du sang de ce patient.

La procédure consiste d’abord à convertir des images médicales du cœur d’un patient en un modèle informatique tridimensionnel, que les chercheurs peuvent ensuite imprimer en 3D à l’aide d’une encre à base de polymère. Le résultat est une coque souple et flexible ayant la forme exacte du cœur du patient. L’équipe peut également utiliser cette approche pour imprimer l’aorte d’un patient – la principale artère qui transporte le sang du cœur vers le reste du corps.

Pour imiter l’action de pompage du cœur, l’équipe a fabriqué des manchons semblables à des brassards de tensiomètre qui s’enroulent autour du cœur et de l’aorte imprimés. La face inférieure de chaque manchon ressemble à du papier bulle à motifs précis. Lorsque le manchon est relié à un système pneumatique, les chercheurs peuvent régler l’air qui s’échappe pour gonfler de façon rythmique les bulles du manchon et contracter le cœur, imitant ainsi son action de pompage.

Les chercheurs peuvent également gonfler un manchon séparé entourant une aorte imprimée afin de resserrer le vaisseau. Selon eux, cette constriction peut être réglée de manière à imiter la sténose aortique, une affection caractérisée par le rétrécissement de la valve aortique, qui oblige le cœur à travailler davantage pour faire circuler le sang dans le corps.

Les médecins traitent généralement la sténose aortique en implantant chirurgicalement une valve synthétique conçue pour élargir la valve naturelle de l’aorte. À l’avenir, l’équipe indique que les médecins pourraient éventuellement utiliser leur nouvelle procédure pour imprimer d’abord le cœur et l’aorte d’un patient, puis implanter une variété de valves dans le modèle imprimé pour voir quelle conception donne le meilleur fonctionnement et la meilleure adaptation pour ce patient particulier. Les répliques de cœur pourraient également être utilisées par les laboratoires de recherche et l’industrie des dispositifs médicaux comme plateformes réalistes pour tester des thérapies pour divers types de maladies cardiaques.

« Tous les cœurs sont différents« , explique Luca Rosalia, étudiant diplômé du programme MIT-Harvard en sciences et technologies de la santé. « Il y a des variations massives, surtout lorsque les patients sont malades. L’avantage de notre système est que nous pouvons recréer non seulement la forme du cœur d’un patient, mais aussi sa fonction, tant au niveau de la physiologie que de la maladie. »

Une conception inclusive

Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont eu recours à l’impression 3D pour produire des répliques personnalisées de cœurs réels de patients. Ils ont utilisé une encre à base de polymère qui, une fois imprimée et durcie, peut se comprimer et s’étirer, de manière similaire à un vrai cœur qui bat.

Comme matériau de base, les chercheurs ont utilisé les scanners médicaux de 15 patients atteints de sténose aortique. L’équipe a converti les images de chaque patient en un modèle informatique tridimensionnel du ventricule gauche (la principale chambre de pompage du cœur) et de l’aorte du patient. Ils ont introduit ce modèle dans une imprimante 3D pour générer une enveloppe souple et anatomiquement précise du ventricule et du vaisseau.

L’équipe a également fabriqué des manchons pour envelopper les formes imprimées. Ils ont adapté les poches de chaque manchon de sorte que, lorsqu’ils sont enroulés autour de leurs formes respectives et connectés à un petit système de pompage d’air, les manchons peuvent être réglés séparément pour contracter et rétrécir de manière réaliste les modèles imprimés.

Les chercheurs ont montré que pour chaque modèle de cœur, ils pouvaient recréer avec précision les mêmes pressions et débits de pompage cardiaque que ceux mesurés précédemment chez chaque patient.

Pour aller plus loin, l’équipe a voulu reproduire certaines des interventions subies par une poignée de patients, afin de voir si le cœur et les vaisseaux imprimés réagissaient de la même manière. Certains patients avaient reçu des implants valvulaires conçus pour élargir l’aorte. Roche et ses collègues ont implanté des valves similaires dans les aortes imprimées modelées d’après chaque patient. Lorsqu’ils ont activé le cœur imprimé pour pomper, ils ont observé que la valve implantée produisait des flux améliorés de la même manière que chez les patients réels après leur implantation chirurgicale.

Enfin, l’équipe a utilisé un cœur imprimé actionné pour comparer des implants de différentes tailles, afin de déterminer lesquels seraient les mieux adaptés et les plus fluides – ce que les cliniciens pourraient potentiellement faire pour leurs patients à l’avenir.

Rosalia et ses collègues présentent leurs résultats dans une étude publiée aujourd’hui dans Science Robotics. Les coauteurs du MIT sont Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang et Ellen Roche, ainsi que Benjamin Bonner du Massachusetts General Hospital, James Weaver de l’université de Harvard et Christopher Nguyen, Rishi Puri et Samir Kapadia de la Cleveland Clinic dans l’Ohio.

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