Appunti Dispositivi medicali e diagnostici

VALVOLE CARDIACHE

1. Protesi valvolari meccaniche

1.1 Introduzione sulle valvole cardiache: struttura, patologie e caratteristiche

1.2 Protesi valvolare meccanica a emidischi

1.3 Ruolo del carbonio pirolitico

1.4 Valutazione della resistenza a fatica

2. Protesi valvolari biologiche

2.1 Struttura e funzionamento delle protesi biologiche

2.2 Confronto con le protesi meccaniche: vantaggi e svantaggi

3. TAVI, TranscatheterAortic Valve e valvole polimeriche

Stenosi aortica degenerativa: metodi risolutivi

3.1

4. Valutazione funzionale della valvola

Perdite di carico, indici funzionali ed energia coinvolta

4.1 1

1.1 Introduzione sulle valvole cardiache: struttura, patologie e caratteristiche

Le valvole cardiache sono strutture anatomiche specializzate che

garantiscono l’unidirezionalità del flusso sanguigno all’interno del

cuore. Il loro funzionamento è interamente passivo e dipende dai

gradienti pressori che si instaurano durante il ciclo cardiaco. Il

cuore presenta quattro valvole suddivise in valvole atrioventricolari

(mitralica/bicuspide, situata tra atrio e ventricolo sinistro, e

tricuspide, situata tra atrio e ventricolo destro) e valvole semilunari

(aortica, situata tra ventricolo sinistro e aorta, e polmonare, situata

tra ventricolo destro e tronco polmonare).

Le valvole atrioventricolari sono costituite rispettivamente da due lembi (mitrale) e tre lembi

(tricuspide), questo sistema impedisce il prolasso dei lembi durante la sistole ventricolare. Le valvole

semilunari, invece, sono formate da tre cuspidi a forma di tasca e la loro chiusura avviene grazie al

riempimento delle tasche valvolari quando la pressione arteriosa supera quella ventricolare. Dal punto

di vista istologico, ogni lembo valvolare è organizzato in tre strati funzionalmente distinti.

• Strato fibroso: rappresenta l’impalcatura portante della valvola. È costituito principalmente da

fibre di collagene orientate parallelamente al bordo libero del lembo. Queste fibre

presentano una configurazione ondulata che si distende sotto carico, consentendo di assorbire

la trazione e limitare l’eccessiva deformazione. Il collagene fornisce quindi la resistenza

meccanica necessaria a sopportare le elevate pressioni transvalvolari.

• Strato spongioso: situato centralmente, è ricco di collagene e glicosaminoglicani (GAGs).

Questo strato agisce come un ammortizzatore meccanico, dissipando energia durante la

chiusura valvolare e permettendo lo scorrimento tra gli strati adiacenti. La sua funzione è

fondamentale per ridurre lo stress ciclico sui tessuti.

• Strato ventricolare/atriale (a seconda del lato della valvola): è più sottile ed è ricco di fibre

elastiche (elastina) disposte radialmente. L’elastina consente la distensione ciclica e il rapido

ritorno elastico alla configurazione iniziale, caratteristica essenziale considerando che la

valvola compie circa per tutta la vita.

70 /

Dal punto di vista fluidodinamico, il flusso attraverso una valvola fisiologica è prevalentemente

laminare. Il regime di flusso può essere valutato tramite il numero di Reynolds, il quale tiene conto

della densità del sangue della velocità media del diametro caratteristico e della velocità

, ,

dinamica :

=

L’aumento della velocità del flusso può determinare valori di Reynolds elevati e quindi turbolenza. 2

Le patologie valvolari alterano la capacità della valvola di aprirsi o chiudersi correttamente e si

manifestano principalmente sotto forma di stenosi o rigurgito.

• Stenosi valvolare: consiste in un restringimento

dell’orifizio che determina un aumento della resistenza

al flusso. L’aumento della velocità attraverso l’orifizio

ristretto comporta un incremento del gradiente

pressorio, che può essere stimato mediante l’equazione

semplificata di Bernoulli . Nella stenosi

2

Δ = 4

aortica, ad esempio, la pressione ventricolare sinistra

durante la sistole diventa molto maggiore della

pressione aortica, causando ipertrofia ventricolare concentrica come meccanismo

compensatorio.

• Rigurgito: dovuto all’incompleta chiusura della

valvola, con conseguente reflusso retrogrado. Nel

rigurgito mitralico, durante la sistole, una parte del

sangue refluisce nell’atrio sinistro, determinando

aumento della pressione atriale, congestione polmonare

e sovraccarico volumetrico ventricolare. A differenza

della stenosi, qui il problema è prevalentemente

volumetrico e non pressorio.

La sostituzione valvolare è indicata quando il danno è irreversibile e compromette significativamente

l’emodinamica cardiaca. Una protesi valvolare deve riprodurre il più possibile il comportamento

fisiologico della valvola nativa. Dal punto di vista emodinamico, è fondamentale che la protesi

garantisca una bassa perdita di carico e un gradiente transvalvolare ridotto. La perdita di carico

∆

è proporzionale al quadrato della portata e inversamente proporzionale al quadrato dell’area efficace di

apertura: 2

∝ 2

Un requisito cruciale è la resistenza a fatica. Considerando una frequenza media di si

70 /,

hanno circa I materiali devono quindi sopportare centinaia di milioni di cicli senza

6

37 × 10 /.

innesco e propagazione di cricche.

La biocompatibilità rappresenta un altro aspetto essenziale: la superficie deve minimizzare

l’attivazione della cascata coagulativa e l’emolisi. Le protesi meccaniche, pur essendo molto

durabili, presentano maggiore trombogenicità e richiedono terapia anticoagulante cronica. Le protesi

biologiche, invece, sono meno trombogeniche ma meno durabili (10 contro oltre

− 15 30

delle meccaniche).

Devono inoltre essere garantite stabilità chimica, resistenza alla corrosione, facilità di impianto

chirurgico e compatibilità con l’anatomia del paziente. In conclusione, la progettazione di una protesi

valvolare rappresenta un compromesso tra durabilità meccanica, prestazioni emodinamiche e rischio

trombotico. Proprio da questo compromesso nasce l’evoluzione tecnologica verso nuove soluzioni

come le valvole transcatetere (TAVI) e le valvole polimeriche. 3

1.2 Protesi valvolari meccaniche a emidischi

Le protesi valvolari meccaniche sono state le prime ad essere sviluppate e rappresentano ancora oggi

la soluzione più durabile per la sostituzione valvolare. La loro progettazione è stata guidata dalla

necessità di garantire resistenza meccanica elevatissima, stabilità nel tempo e prestazioni

emodinamiche accettabili, riducendo al minimo turbolenze e trombogenicità. Storicamente, le prime

valvole artificiali erano del tipo a sfera ingabbiata (ball-and-cage). Successivamente si passò alle

valvole a disco inclinabile (tilting disc) e infine alle valvole a doppio emidisco (bileaflet), che

rappresentano oggi lo standard clinico. La valvola a emidischi è costituita da un anello di supporto

(housing), due semicuspidi mobili in carbonio pirolitico e un sistema di perni o cerniere che consente

la rotazione dei lembi.

Il principio di funzionamento è puramente passivo e dipende dal gradiente

pressorio. Nel caso della valvola aortica, durante la sistole ventricolare,

la pressione a monte supera quella a valle e i due emidischi ruotano

fino a un angolo di apertura di circa creando tre orifizi di flusso:

− °,

uno centrale e due laterali. Durante la diastole, l’inversione del gradiente

pressorio provoca la chiusura rapida dei lembi. Dal punto di vista

fluidodinamico, la presenza di tre canali di flusso consente una

distribuzione più simmetrica delle linee di corrente rispetto ai modelli

precedenti. La portata attraverso la valvola è descrivibile facendo

riferimento all’area efficace di apertura e alla velocità media del

sangue : = ⋅

Poiché il gradiente pressorio è proporzionale al quadrato della velocità (equazione di Bernoulli

semplificata: ), allora una maggiore area efficace riduce la velocità richiesta per una certa

2

Δ = 4

portata e quindi diminuisce il gradiente transvalvolare.

Rispetto alle valvole a disco singolo inclinabile, il modello a doppio emidisco offre migliore simmetria

del flusso, minore turbolenza, minore formazione di zone di ristagno e riduzione dello shear stress

ematico. Questo è particolarmente importante perché elevate tensioni di taglio possono causare

emolisi e attivazione piastrinica.

Lo sforzo tangenziale nel fluido è espresso come:

=

dove è la viscosità del sangue e il gradiente di velocità. Un flusso più uniforme implica gradienti di

velocità meno estremi e quindi minore attivazione della cascata coagulativa. 4

La valvola meccanica a emidischi non si chiude mai con i leaflet completamente piatti (a per una

0°)

ragione fondamentale di emodinamica e sicurezza clinica: la necessità di generare un flusso di

rigurgito controllato, detto anche flusso di lavaggio o backflow. Se i dischi si chiudessero

ermeticamente e in modo piatto contro l’anello, si creerebbe una situazione di stasi ematica proprio

dietro i leaflet e nelle zone di cerniera (pivot): il sangue, non venendo più mosso, tenderebbe a

coagulare, portando con altissima probabilità alla formazione di trombi. Un trombo su una valvola

meccanica è un evento catastrofico: può bloccare la valvola (causando insufficienza acuta) o

embolizzare (causando ictus). Per prevenire questo, la valvola è progettata per chiudere con un angolo

residuo, tipicamente tra i e i rispetto al piano dell’anello. Questo piccolo angolo crea una fessura

3° 5°

microscopica ma cruciale: ogni volta che la valvola si chiude (inizio diastole) e la pressione a monte

supera quella a valle, una piccola quantità di sangue riesce a passare attraverso questa fessura.

Questo flusso di rigurgito permette di eseguire un lavaggio (washing) che "spazza" via le cellule del

sangue che potrebbero essersi accumulate nelle zone di cerniera e dietro i dischi, prevenendo la stasi;

inoltre permette di lubrificare, mantenendo umidi e lubrificati i meccanismi di perno, riducendo l’attrito

meccanico e l’usura nel lungo termine. Quindi, quel "piccolo angolo" non è un difetto di chiusura, ma

una caratteristica di progetto intenzionale.

Le valvole a sfera ingabbiata creavano un flusso altamente turbolento, poiché la sfera ostruiva

completamente la porzione centrale del flusso, costringendo il sangue a deviare lateralmente. Questo

determinava elevata perdita di carico, elevato numero di Reynolds, forte attivazione piastrinica,

maggiore rischio tromboembolico. Le valvole a disco inclinabile (come la Bjork-Shiley)

rappresentarono un miglioramento, ma presentavano ancora un flusso asimmetrico, con una porzione

di flusso maggiore e una minore, generando regioni di ricircolo. La valvola a doppio emidisco introduce

invece una suddivisione più equilibrata del flusso in tre getti, riducendo le zone di separazione del flusso

e migliorando il comportamento emodinamico globale. 5

L’anello di supporto (housing) può essere progettato in modo completo o incompleto.

Anello completo: la struttura circonda interamente il lume. Questo garantisce elevata

• stabilità meccanica, distribuzione uniforme delle sollecitazioni e minore rischio di deformazioni

strutturali. Tuttavia, un anello completo può ridurre leggermente l’area efficace di apertura,

aumentando marginalmente il gradiente pressorio.

Anello incompleto: parte della struttura è aperta o alleggerita con l’obiettivo di aumentare

• l’area efficace, migliorare il profilo fluidodinamico e ridurre l’ingombro.

Il compromesso è una maggiore complessità strutturale e potenziale concentrazione di stress in

specifiche regioni. La scelta progettuale dipende dal bilanciamento tra resistenza meccanica, durata a

fatica e prestazioni emodinamiche.

Nonostante i miglioramenti fluidodinamici, le protesi meccaniche restano trombogeniche a causa di

superfici artificiali non endotelizzate, microzone di ristagno nelle cerniere, elevato shear stress locale.

Per questo motivo è necessaria una terapia anticoagulante cronica. Tradizionalmente si utilizzano

antagonisti della vitamina che inibiscono la sintesi epatica dei fattori della coagulazione e

, , ,

Il monitoraggio si basa sul valore (International Normalized Ratio), il quale tiene conto del tempo

.

di protrombina () del paziente rispetto a quello di controllo:

= ( )

dove è l’International Sensitivity Index della tromboplastina utilizzata. Nei pazienti con valvola

aortica meccanica bileaflet il target tipico è = . ( 2–3).

Per altre protesi meccaniche, come quelle a disco oscillante, il target può essere più elevato ( 3 −

Il rischio clinico è sempre un equilibrio tra rischio trombotico ( troppo basso) e rischio

4).

emorragico ( troppo alto). 6

1.3 Ruolo del carbonio pirolitico

Il carbonio pirolitico rappresenta tutt’oggi il materiale di riferimento per la realizzazione dei

componenti mobili delle protesi valvolari meccaniche, in particolare dei lembi nelle valvole a doppio

emidisco. La sua introduzione ha rappresentato un passaggio fondamentale nello sviluppo delle valvole

cardiache artificiali, poiché ha permesso di coniugare elevata resistenza meccanica, ottima

biocompatibilità e notevole resistenza all’usura.

Per comprendere il ruolo del carbonio pirolitico è utile partire dalle forme cristalline del carbonio. Le

due forme perfettamente cristalline sono il diamante e la grafite. Il diamante presenta una struttura

tetraedrica tridimensionale con legami covalenti forti in tutte le direzioni, risultando estremamente duro

e isotropo. La grafite, invece, è costituita da piani esagonali di atomi di carbonio con legami forti

all’interno del piano e legami deboli tra piani adiacenti. Questa struttura stratificata rende la grafite

anisotropa e meccanicamente debole nella direzione perpendicolare ai piani.

Il carbonio pirolitico non è né diamante né grafite pura, ma una struttura parzialmente cristallina o

amorfa in cui microcristalli di tipo grafitico sono dispersi in modo disordinato all’interno del

materiale. Proprio questa disposizione casuale dei piani esagonali conferisce al materiale proprietà

meccaniche globalmente isotrope. L’isotropia è un requisito fondamentale nelle protesi valvolari,

poiché sollecitazioni cicliche multidirezionali non devono trovare “piani preferenziali” di frattura.

Dal punto di vista meccanico, il carbonio pirolitico possiede elevata resistenza a trazione e

compressione, elevata durezza, eccellente resistenza all’usura, ottima resistenza a fatica, buona

inerzia chimica. La necessità di elevata resistenza a fatica deriva dal fatto che una valvola cardiaca deve

sopportare oltre in 15 anni. Eventuali microcricche generate durante la lavorazione o

8

5 × 10

l’assemblaggio possono propagarsi nel tempo sotto sollecitazioni cicliche, portando a frattura fragile.

Per questo motivo, il materiale deve essere altamente omogeneo e privo di difetti strutturali.

Un altro aspetto fondamentale è la biocompatibilità ematica. Il carbonio pirolitico presenta una

superficie relativamente inerte dal punto di vista biologico, con buona emocompatibilità rispetto ad

altri materiali metallici. Nonostante ciò, non elimina completamente il rischio trombotico, ma

contribuisce a ridurlo rispetto a superfici metalliche non rivestite.

Struttura della grafite Struttura del diamante Struttura del carbonio pirolitico 7

Il carbonio pirolitico viene ottenuto mediante un processo di

deposizione chimica da fase vapore (Chemical Vapor

Deposition, CVD). Una delle tecniche più utilizzate per la

realizzazione dei componenti valvolari è il sistema a letto fluido.

Nel processo a letto fluido, le particelle o i substrati da rivestire

vengono mantenuti in sospensione all’interno di una camera di

reazione tramite un flusso di gas. Viene introdotta una miscela

gassosa contenente idrocarburi (ad esempio metano) che, ad

alta temperatura, subiscono un processo di pirolisi, cioè

decomposizione termica in assenza di ossigeno. Il carbonio

liberato si deposita progressivamente sulla superficie dei

bersagli formando uno strato compatto di carbonio pirolitico. Le

caratteristiche finali del materiale dipendono fortemente dai

parametri di processo, in particolare dalla temperatura di pirolisi, dal tempo di permanenza della

miscela gassosa nella camera, dalla composizione del gas, dalla superficie e geometria del substrato.

Maggiore è il disordine nell’orientamento dei piani grafitici, maggiore sarà l’isotropia del materiale

risultante. Per migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche e la resistenza all’usura, al carbonio

pirolitico può essere aggiunto circa il di silicio, formando un materiale composito (carbonio

− %

pirolitico al silicio). Il silicio aumenta la durezza e la resistenza all’abrasione.

Un’altra tecnica utilizzata, soprattutto per rivestimenti sottili, è lo sputtering catodico. Si tratta di un

processo fisico di deposizione in cui un bersaglio di carbonio pirolitico (catodo) viene bombardato da

ioni, generalmente di argon, in una camera a vuoto. Gli atomi espulsi dal catodo si d