Des chercheurs de Penn State célèbrent le succès des tests de pompe cardiaque

Jul 22, 2023

Images de la pompe cardiaque percutanée. Crédit : Penn State. Creative Commons

2 août 2013

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie - Une équipe de chercheurs de Penn State du Laboratoire de recherche appliquée (ARL) et du Département des sciences des matériaux a vu le dispositif d'assistance ventriculaire gauche (LVAD) qu'ils ont développé entre 2005 et 2011 passer à son premier test humain réussi en mars .

Thoratec Corp., un leader mondial des thérapies d'assistance circulatoire mécanique pour les cœurs défaillants, a obtenu une licence pour la technologie de Penn State en 2010. Les LVAD sont conçus pour reprendre partiellement la fonction de pompage d'un cœur défaillant. En moins de trois ans, les composants de conception préliminaire, les installations de test et les techniques de fabrication développés à Penn State pour construire un prototype de dispositif ont été développés par Thoratec pour que le LVAD puisse être testé chez l'homme.

"L'excitation pour notre équipe de Penn State est que notre recherche est maintenant en bonne voie pour sauver des vies", a déclaré Rob Kunz, chercheur ARL et chercheur principal du projet. "Les objectifs de conception de l'actuelle HeartMate PHP (pompe cardiaque percutanée) étaient intimidants : développer une pompe à sang à l'extrémité d'un cathéter long et fin suffisamment petit pour être inséré à travers une incision dans la cuisse d'un patient et serpenté à travers la descente aorte au ventricule gauche à déployer.Le PHP doit fournir une capacité de pompage de sang suffisante pour supporter un homme adulte (environ 4,5 litres par minute à une tête de pression de 60 mmHg) pendant plusieurs jours, sans causer de dommages au cœur ou au sang lui-même."

De nombreux LVAD à long terme disponibles dans le commerce nécessitent que la paroi thoracique soit chirurgicalement ouverte pour l'insertion du dispositif, une procédure compliquée et traumatisante. Les objectifs de conception du dispositif PHP à court terme étaient motivés par le désir d'une technologie de soutien aigu peu invasive à insertion rapide. Le PHP est conçu pour être inséré, déployé et fonctionner en quelques minutes chez un patient souffrant d'une crise cardiaque ou d'une autre maladie cardiaque aiguë, prolongeant potentiellement la vie de dizaines de milliers de personnes aux États-Unis chaque année.

Avec ces exigences, l'industrie est venue à Penn State en raison des fortes capacités de l'Université en hydrodynamique (conception, test et modélisation) et en science des matériaux, deux technologies essentielles dans toute application de pompe à sang. "On nous a essentiellement donné les exigences et une feuille de papier vierge", a déclaré Kunz, "il n'a pas fallu longtemps avant que nous ayons développé le concept de base : une très petite roue pliable à rotation très rapide, logée dans une canule pliable."

Développer le concept de cette turbomachine minuscule mais efficace a demandé à l'équipe de Penn State de surmonter de multiples défis. L'un d'entre eux est lié à la nature du fluide. Le LVAD fonctionne au moyen d'une roue qui pompe le sang tout en tournant à environ 19 000 tr/min ; mais vous ne pouvez pas mettre du sang dans un mélangeur – même un tout petit – et vous attendre à ce qu'il conserve les caractéristiques physiques et biologiques qui lui permettent de transporter l'oxygène. Au lieu de cela, les pales de la turbine devaient être conçues de manière à endommager le moins possible les globules rouges.

Un autre défi majeur était que le matériau à partir duquel les lames LVAD sont fabriquées devait être suffisamment flexible pour se comprimer dans un cathéter de 4 mm. Cette même élasticité signifie que les lames fléchissent sous la charge de fluide lorsqu'elles tournent. Ainsi, les pales devaient être conçues pour compenser la déflexion tout en préservant leurs performances hydrodynamiques souhaitées. Troisièmement, la canule dans laquelle la roue tourne et qui guide le flux sanguin à travers la pompe devait également être pliable - essentiellement un stent couvert avec suffisamment d'intégrité pour supporter le pompage tout en étant suffisamment flexible pour se replier complètement dans un cathéter de 4 mm .

Dit Kunz, "Cela a été un effort de conception et de développement véritablement multidisciplinaire, impliquant des experts en science des matériaux, mécanique des fluides expérimentale, mécanique des fluides computationnelle, conception technique, technologie des roulements, prototypage rapide et contrôles, ainsi que des machinistes et des techniciens de test d'intégration. Nous a également eu l'occasion passionnante de s'impliquer dans plusieurs technologies bien au-delà de nos compétences de base, notamment la physiologie du système circulatoire, la mécanique/biochimie des cellules sanguines, les tests sur les animaux et les matériaux qui sont « autorisés » à être utilisés dans le corps. livrer' focus, le projet a soutenu une thèse de doctorat de Penn State en génie mécanique sur le thème de la modélisation de l'interaction fluide-structure.

"Alors, où est l'appareil maintenant et où va-t-il ?" Kunz a poursuivi : « Quatre brevets liés à PHP ont été délivrés avec des membres de notre équipe en tant que co-inventeurs. Le bureau de gestion de la technologie de Penn State a négocié avec succès des accords de licence avec Thoratec, de sorte que le test humain réussi a donné lieu aux premiers revenus de licence de Penn State provenant du appareil."

Thoratec est un excellent partenaire de transition pour cette technologie, car il s'agit de l'une des rares entreprises au monde à disposer de l'expertise et des ressources nécessaires pour faire évoluer les dispositifs de pompe à sang, du développement de la fabrication et des essais cliniques à la commercialisation. Thoratec a l'intention de poursuivre les essais cliniques sur l'utilisation du HeartMate PHP pour accompagner les patients subissant des interventions percutanées à haut risque, ainsi que ceux en état de choc cardiogénique, une population avec des taux de mortalité constamment élevés. La société prévoit de lancer une étude européenne au second semestre 2013, suivie d'un essai clinique américain début 2014.

Les membres de l'équipe de développement de la pompe d'assistance cardiaque de Penn State, de gauche à droite, sont Steve Hambric, Jim Runt, Rick Medvitz, Greg Dillon, Dave Boger, Eric Meyer, Rob Kunz, Adam Roslund, Steve Struble, Rob Campbell, Dave Dreese, Mark McBride, Rusty Boone, Jeremy Konkoski et Justin Walsh. Absents sont Tom Mallison, Dan Metrey et Rick Weyer. Crédit : Penn State. Creative Commons

Rob Kunz

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