Riassunto del corso di Progettazione di Endoprotesi

Protesi valvolari

Il cuore è un organo internato che equivale da un punto di vista meccanico a una pompa: due pompe in serie sincrone (volumetriche perché eiettano un volume di sangue): cuore destro e sinistro. Il cuore destro pompa il sangue privo di ossigeno che arriva dal circolo sistemico nei polmoni, mentre il cuore sinistro riceve il sangue ossigenato che poi viene distribuito in tutto il corpo. Il lavoro del cuore è quello di fornire l'energia necessaria al sangue per percorrere i due circoli: esso, infatti, fornisce energia sufficiente al sangue per andare verso tutto il corpo e scambiare ossigeno, ritornare al cuore destro e poi passare al sinistro dove si ossigena.

Il cuore riceve sangue a bassa pressione e deve rimetterlo nei due circoli a una pressione sufficiente a far percorrere i due circoli. Perché questo meccanismo funzioni, le valvole devono svolgere bene il loro compito. Parte destra e sinistra sono simili: presentano delle camere, atrio e ventricolo, ciascuna delle quali ha una valvola di aspirazione e una di mandata.

Funzionamento delle valvole cardiache

Il cuore destro riceve sangue dalla periferia, entra nell'atrio destro dalla vena cava superiore e inferiore, poi passa nella valvola tricuspide (di aspirazione) e poi al ventricolo attraversando la valvola polmonare per essere ossigenato. Attraversa quindi le vene polmonari e arriva nell'atrio sinistro. Nel cuore sinistro, dall'atrio il sangue va verso il ventricolo passando per la valvola mitrale (di aspirazione) e poi prosegue verso il circolo sistemico attraverso la valvola aortica. Le valvole di aspirazione sono quindi tra atrio e ventricolo (la tricuspide e la mitrale), mentre quelle di mandata sono tra ventricolo e circolo (l’aortica e la polmonare).

Struttura delle valvole

La struttura delle valvole è differente a seconda che siano di mandata o di aspirazione, sebbene questo ci interessi relativamente dal momento che le valvole che andiamo a studiare non sono biomorfe. Copiare la geometria della struttura naturale permette sicuramente di garantire compatibilità anatomica; tuttavia, solitamente il materiale da costruzione è volutamente artificiale e quindi non è detto che una protesi biomorfa consenta di ottimizzarne il funzionamento. Bisogna ad esempio considerare che il materiale artificiale non è in grado di rigenerarsi, anzi, tende a degenerare. A volte la scelta di realizzare o meno una protesi biomorfa è dettata anche dalle modalità chirurgiche: nel caso delle protesi di ginocchio e d’anca, per esempio, si tende a riprodurre la geometria anatomica.

Ciclo cardiaco

Nel ciclo cardiaco si possono distinguere due fasi:

• Diastole: i ventricoli si riempiono di sangue e ciò avviene grazie alle valvole di aspirazione aperte (mentre quelle di mandata sono chiuse). L’effetto pompante è determinato dalla presenza di alcune valvole aperte, mentre le altre sono chiuse.
• Sistole: si ha la contrazione dei ventricoli, che rimettono il sangue nel circolo polmonare o in quello sistemico, a patto che le valvole di mandata siano aperte e quelle di aspirazione chiuse.

Affinché il sangue venga pompato, ci deve essere perfetta apertura e sincronia delle valvole in entrambi i cuori. Si deve pompare la corretta quantità di sangue alla giusta frequenza per vincere la resistenza del circolo. Se le valvole sono parzialmente aperte/chiuse, quando invece dovrebbero essere completamente aperte/chiuse, c’è un aggravio sul cuore in termini di spesa energetica: non si ottiene cioè un rendimento efficace del cuore, che si trova a dover effettuare delle compensazioni per mandare in periferia la quantità di sangue richiesta.

Il cuore si ammala e parte destra e sinistra lavorano nello stesso modo ma a regimi pressori inferiori: il destro a 40 mmHg e il sinistro a 20 mmHg. Il fatto che lavorino a una pressione maggiore è una delle cause per cui le valvole del cuore sinistro si ammalano prima rispetto a quelle del destro.

Funzionalità ottimale del cuore

Quindi, per una funzionalità ottimale del cuore, le valvole devono lavorare in maniera corretta sia per il momento in cui aprirsi/chiudersi sia per il grado di apertura/chiusura. L’ottimo si ottiene quando le valvole devono stare completamente aperte, offrendo la minor resistenza possibile al passaggio del sangue, e quando devono stare completamente chiuse, in modo che non si abbia il fenomeno di reflusso del sangue.

Andamenti nel ciclo cardiaco

Esamino il cuore sinistro perché a regimi pressori più elevati:

• Pressione (linea spessa blu: pressione nel ventricolo sinistro, linea più leggera: pressione nell’atrio sinistro, linea tratteggiata: pressione all’uscita dal cuore sinistro nell’aorta)
• Quantità di sangue
• Flusso di sangue che passa dal cuore all’aorta
• ECG

Meccanismi di apertura e chiusura

Le valvole cardiache naturali sono comandate dai regimi pressori a monte e a valle della valvola stessa. Non c’è un segnale che faccia aprire e chiudere la valvola come per la contrazione. Quando la pressione a monte supera la pressione a valle la valvola si chiude e viceversa, avendo così un’azione meccanica che il sangue compie sulla struttura della valvola che determina apertura e chiusura.

• Prima del punto 1, P < P. Nel punto 1, P > P e la valvola di aspirazione (mitrale) si chiude.
• Tra 1 e 2 il ventricolo non si riempie di sangue ma si contrae. In 2 la pressione ventricolare aumenta ma non è ancora in grado di aprire la valvola aortica poiché la pressione dell’aorta è più alta della ventricolare. Entrambe le valvole sono chiuse quindi si ha un aumento della pressione all’interno del ventricolo con entrambe le valvole chiuse.
• P > P, la valvola aortica si apre perché la pressione a monte supera quella a valle. Il sangue viene eiettato quindi il ventricolo si svuota aumentando il flusso all’interno dell’aorta.
• Tra 2 e 3 le pressioni tra aorta e ventricolo saranno le stesse in quanto la valvola è ancora aperta.
• In 3 la P sarà inferiore a quella aortica con la conseguente chiusura della valvola aortica.
• Tra 3 e 4 entrambe le valvole sono chiuse.
• In 4 la pressione fa riaprire la valvola mitralica e ricomincia il ciclo.
• In 1 abbiamo la mitrale chiusa.

Dal tracciato del flusso si nota la presenza di un flusso negativo dovuto al fatto che la valvola naturale, fortemente performante, si chiude in un tempo finito. Parte del sangue, quando la valvola si chiude, torna indietro. La valvola naturale funziona esclusivamente per differenza di pressione tra monte e valle della valvola. Non c’è nessun tipo di stimolo applicato (né elettrico, né di qualche altro tipo).

Questo rappresenta uno spunto per il progettista. Si può pensare a una valvola artificiale la cui apertura dipenda dai regimi pressori messi in gioco.

Fattori determinanti il funzionamento del cuore

Il buon funzionamento del cuore dipende da due fattori:

• Direzionalità del flusso: il cuore deve pompare nella direzione voluta, cioè verso la periferia. L’efficacia del cuore si valuta in termini di quanto esso riesca ad evitare il retroflusso, sia dal cuore verso il circolo, sia all’interno del cuore stesso.
• Mantenimento delle pressioni necessarie per spingere il sangue nei due circoli.

In un cuore efficace, inoltre, le valvole devono offrire la minor resistenza possibile, se aperte, e non permettere il reflusso, se chiuse. Il cuore deve fare in modo che la quantità di sangue richiesta dal corpo venga fornita in un certo periodo di tempo. Se ciò non avviene, il corpo introduce dei meccanismi correttivi che fanno aumentare la frequenza cardiaca.

Meccanismi patologici

Meccanismi patologici che impediscono al cuore di pompare la quantità corretta di sangue a livello valvolare:

• Stenosi: la valvola stenotica è una valvola che in fase di apertura non è completamente aperta, per cui il lume all’interno del quale il sangue deve passare non è aperto. Si ha un restringimento del lume che non permette un corretto fluire con un conseguente aumento della resistenza al passaggio del sangue. Sul grafico si ha un andamento di pressione ventricolare: il ventricolo deve raggiungere pressioni molto elevate per superare la resistenza data dalla valvola stenotica. Tipico segnale di valvola stenotica aortica è quindi un aumento della pressione ventricolare rispetto a quella fisiologica. Il cuore, infatti, deve spendere più energia per raggiungere lo stesso effetto del cuore sano. A livello atriale il discorso è lo stesso.
• Insufficienza: la valvola insufficiente è una valvola che in fase di chiusura non si chiude completamente e lascia passare una quantità di sangue maggiore del reflusso fisiologico che normalmente si dovrebbe avere. Di conseguenza, dato che il cuore è una pompa volumetrica (pompa sempre lo stesso volume), deve fare più lavoro per garantire lo stesso effetto. Infatti, l’atrio e il ventricolo che ricevono il volume di sangue in più devono pompare a regimi maggiori e quindi sono sottoposti a sforzi molto più grandi. Tutto ciò porta all’affaticamento del cuore. Nei grafici è evidente un aumento della quantità di reflusso che si registra a livello dell’aorta.

Queste due patologie si presentano entrambe a carico della stessa valvola, facendo diventare steno-insufficienti le valvole naturali. La valvola mitralica, aortica, tricuspide, polmonare sono colpite in questo ordine dalla malattia perché sono differenti i regimi pressori in gioco. Fino a 60 anni fa, le patologie valvolari erano mortali perché non c’erano tecniche operatorie adeguate (ora c’è la CEC). Per poter operare, infatti, si deve fermare il cuore ma la sua funzione deve essere sostituita. Fino agli anni ’50 non esisteva una macchina per la circolazione extracorporea e quindi il paziente sarebbe morto. Per questa ragione si accettava un alto rischio di fallimento della protesi valvolare (l’alternativa era la morte).

Specifiche di progetto

1. Dovrebbe aprirsi e chiudersi passivamente secondo i livelli pressori a monte e a valle, e non si può prevedere un meccanismo diverso da quello naturale. In particolare, non deve esserci un meccanismo comandato. Impatta sia sul funzionamento che sulle dimensioni. Si deve progettare una valvola che si apra e chiuda a determinati regimi pressori, di forma e dimensioni corrette.
2. Dovrebbe aprirsi e chiudersi in tempi estremamente rapidi: non deve permettere un reflusso maggiore di quello fisiologico perché altrimenti aggraverebbe maggiormente il cuore. Quindi tanto più la valvola è rapida, tanto più sarà meno stenotica o insufficiente. Riuscendo a soddisfare questo requisito non è detto che riusciamo ad ottenere una valvola non stenotica o insufficiente poiché c’è un momento in cui la valvola si apre e si chiude (durante i transitori).
3. Durante l'apertura non dovrebbe creare perdite di pressione al sangue che la attraversa o comunque non tali da provocare sintomi per aggravi energetici al cuore. Qui ΔP = 20 mmHg a livello della valvola aortica e ΔP = 5 mmHg a livello della valvola mitrale sono tollerabili.
4. Durante la chiusura non dovrebbe consentire flussi retrogradi o comunque non tali da provocare sintomi per aggravi energetici al cuore: il retroflusso massimo accettato è del 5%. Il 5% della portata globale cardiaca comporta un reflusso inferiore del 5%.
5. Dovrebbe mantenere le sue caratteristiche chimiche, fisiche e meccaniche per un tempo pari all'aspettativa di vita del paziente (alla frequenza di 72 battiti/min deve sopportare quasi 40 milioni di cicli di apertura e chiusura all'anno). Si deve pensare al modo con cui mantenere tali caratteristiche, trattandosi di un dispositivo fisso. Questo è il requisito che troveremo in tutti i dispositivi. Per la protesi valvolare abbiamo dei livelli di stress superiori rispetto a qualsiasi tipo di protesi: la valvola è in continuo funzionamento per cui si stimano 40 milioni di cicli di apertura e chiusura in un anno, che comportano problemi di fatica meccanica. Questo valore corrisponde, secondo il grafico di Wöhler, a una vita illimitata. Per questa ragione si deve garantire che il dispositivo resista per un numero infinito di cicli. L’intervento di sostituzione valvolare è molto invasivo con rischio operatorio molto elevato, quindi non possiamo progettare una protesi che duri, per esempio, 5 anni: la richiesta è di circa 15-20 anni; inoltre, se la valvola si rompe all’improvviso il paziente muore quindi deve essere estremamente affidabile. Il 40% della produzione valvolare viene scartato perché i limiti di accettabilità della valvola stessa sono molto elevati ed è per questo quindi che il prezzo aumenta.
6. Non dovrebbe indurre alterazioni nel sangue e in particolare non dovrebbe causarne la coagulazione né l'emolisi (requisito di componente biologica). L’emocompatibilità dipende dal tipo di materiale utilizzato (qualsiasi materiale provoca la reazione di coagulazione del sangue ma esistono tecnologie che minimizzano tale fenomeno). Per l’emolisi, invece, si prende in considerazione il meccanismo di funzionamento: deve rimanere intrappolata la minor quantità di sangue possibile nei meccanismi fissi e mobili. Si deve considerare l’emocompatibilità del materiale e della valvola. La valvola entra a contatto con le pareti del cuore e con il sangue e non si devono creare alterazioni, né con la parete (componente governabile), né con il sangue. La capacità di non compromettere il sangue, infatti, è legata ai materiali (coagulazione), allo stato di flusso (vorticosità) e al meccanismo di apertura/chiusura della valvola (emolisi).
7. Dovrebbe essere almeno in parte radiopaca così da consentire il controllo del suo funzionamento con indagini radiografiche. La valvola, infatti, non può essere sottoposta a manutenzione perché è un dispositivo permanente. Si deve fare in modo che il meccanismo di degradazione sia il più lento possibile e prevedere come si può vedere se la valvola non funziona. I requisiti di affidabilità devono essere massimi. È necessario garantire un’indagine efficace. Riuscire a individuare gli eventuali problemi della valvola, infatti, è fondamentale prima che questa si rompa.
8. Non dovrebbe indurre alterazioni nei tessuti circostanti: la valvola, infatti, è ancorata alle pareti del cuore. Il materiale usato deve essere tale da garantire la biocompatibilità nel tempo. La valvola si sutura alle pareti cardiache: queste reagiscono e tendono a crescere attorno alla valvola. Diventa un problema se cresce troppo perché si riconduce alla stenosi. Quindi devo mantenere questa reazione limitata e controllata, in modo da avere meno problemi e più compatibilità.
9. Dovrebbe avere dimensioni tali da adattarsi alle taglie dei diversi portatori. Non viene infatti fatta una soluzione paziente-specifica perché non è economicamente vantaggioso. Aumento le dimensioni ma devo garantire che sotto quei regimi pressori la valvola funzioni (aumentando le dimensioni aumento anche le masse degli organi in movimento).
10. Dovrebbe essere facilmente impiantabile in modo da ridurre il rischio chirurgico di un intervento a cuore aperto altamente rischioso. La probabilità che la protesi fallisca per impianto chirurgico è molto alta (a causa di un errore di impianto). Si deve pensare anche agli strumenti che permettono un facile impianto del dispositivo. Il sistema protesi-strumentario deve essere molto semplice per minimizzare la possibilità di avere un errore di impianto. È richiesta la mini invasività della struttura: il paziente non deve essere “sconvolto” in modo eccessivo. Le procedure chirurgiche devono essere rapide, facili e meno invasive. Il successo del dispositivo è legato all’individuazione di una tecnica poco invasiva. Ciò comporta una curva di apprendimento del chirurgo lunga nel tempo perché le tecniche sono le meno invasive possibili e complesse. Alcune tecniche particolarmente innovative sono disponibili solo in alcuni centri.
11. Non dovrebbe produrre rumore avvertibile dal portatore. La protesi rumorosa, infatti, costituisce un problema per il recupero sociale del portatore.

Protesi valvolari di impiego clinico

Classificazione a seconda della modalità di funzionamento e del materiale di cui sono costituite:

• Valvole meccaniche: si tratta di valvole costituite da uno o più organi mobili, differentemente vincolati a una struttura fissata al cuore. La chiusura e apertura è dovuta al movimento di una parte mobile rispetto a quella fissa (movimento relativo). Sono caratterizzate dall’impiego di materiali artificiali per la loro realizzazione. Vengono impiegati differenti materiali: dai metalli, ai polimeri e ai ceramici, ma considerando comunque quelli non deformabili dalle sollecitazioni meccaniche cui le valvole sono soggette (pressione sanguigna). Non devono esserci deformazioni significative, il tutto rimane rigido. Offrono una buona garanzia di durata nel tempo e quindi da un punto di vista dell’affidabilità meccanica nel tempo della struttura sono quelle che offrono maggiore garanzia. Con le valvole meccaniche di ultima generazione il problema dell’affidabilità non c’è più, dal momento che esistono in commercio valvole che durano un numero di anni sufficienti all’applicazione. Grazie all’evoluzione della tecnologia di ottenimento delle valvole e delle varie parti e grazie ai controlli in produzione molto serrati, infatti, la valvola meccanica non ha più problemi di affidabilità nel tempo, purché sia ben progettata. A causa della loro fluidodinamica anomala e dei materiali con cui sono costituite tendono a far coagulare il sangue. Ciò comporta per i portatori la necessità di una terapia anticoagulante (farmacologica) permanente.