Ingenieros diseñan un ventilador suave e implantable

Para muchos de nosotros, el acto de respirar es algo natural. Detrás de escena, nuestro diafragma, el músculo en forma de cúpula que se encuentra justo debajo de la caja torácica, funciona como un trampolín lento y constante, empujando hacia abajo para crear un vacío para que los pulmones se expandan y aspiren aire, luego se relaja cuando el aire es expulsado. . De esta manera, el diafragma controla automáticamente nuestra capacidad pulmonar y es el principal músculo responsable de nuestra capacidad para respirar.

Pero cuando la función del diafragma se ve comprometida, el instinto respiratorio se convierte en una tarea laboriosa. La disfunción crónica del diafragma puede ocurrir en personas con ELA, distrofia muscular y otras enfermedades neuromusculares, así como en pacientes con parálisis y daño al nervio frénico, que estimula la contracción del diafragma.

Un nuevo diseño de prueba de concepto realizado por ingenieros del MIT tiene como objetivo impulsar algún día la función de soporte vital del diafragma y mejorar la capacidad pulmonar de las personas con disfunción del diafragma.

El equipo del MIT ha desarrollado un ventilador suave, robótico e implantable que está diseñado para aumentar las contracciones naturales del diafragma. En el corazón del sistema hay dos tubos blandos con forma de globo que se pueden implantar para colocarse sobre el diafragma. Cuando se inflan con una bomba externa, los tubos actúan como músculos artificiales para empujar hacia abajo el diafragma y ayudar a que los pulmones se expandan. Los tubos se pueden inflar a una frecuencia que coincida con el ritmo natural del diafragma.

Los investigadores demostraron el ventilador implantable en modelos animales y demostraron que, en casos de compromiso de la función del diafragma, el sistema podía mejorar significativamente la cantidad de aire que podían aspirar los pulmones.

Todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que un sistema implantable de este tipo pueda usarse para tratar a humanos con disfunción crónica del diafragma. Pero los resultados preliminares abren un nuevo camino en la tecnología de respiración asistida que los investigadores están ansiosos por optimizar.

«Esta es una prueba de concepto de una nueva forma de ventilar», dice Ellen Roche, profesora asociada de ingeniería mecánica y miembro del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas del MIT. «La biomecánica de este diseño está más cerca de la respiración normal, en comparación con los ventiladores que empujan el aire hacia los pulmones, donde tiene una máscara o una traqueotomía. Hay un largo camino antes de que esto se implante en un ser humano. Pero es emocionante que podamos demostrar que podría aumentar la ventilación con algo implantable».

Roche y sus colegas publicaron sus resultados el 12 de diciembre en Naturaleza Ingeniería Biomédica. Sus coautores en el MIT incluyen a la primera autora y ex estudiante de posgrado Lucy Hu, así como a Manisha Singh y Diego Quevedo Moreno; junto con Jean Bonnemain del Hospital Universitario de Lausana en Suiza, y Mossab Saeed y Nikolay Vasilyev del Hospital Infantil de Boston.

Una suave presión

El diseño del ventilador implantable del equipo surgió del trabajo previo de Roche en un dispositivo de asistencia para el corazón. Como estudiante de posgrado en la Universidad de Harvard, Roche desarrolló una funda cardíaca diseñada para envolver el corazón para aliviar la presión y brindar apoyo mientras el órgano bombea.

Ahora en el MIT, ella y su grupo de investigación descubrieron que una asistencia robótica suave similar podría aplicarse a otros tejidos y músculos.

«Pensamos, ¿cuál es otro gran músculo que bombea cíclicamente y sustenta la vida? El diafragma», dice Roche.

El equipo comenzó a explorar diseños para un ventilador implantable mucho antes del comienzo de la pandemia de COVID-19, cuando el uso de ventiladores convencionales se disparó junto con los casos. Esos ventiladores crean presión positiva, en la que el aire es empujado hacia abajo a través de las vías respiratorias centrales del paciente y forzado a entrar en los pulmones.

El diafragma, por el contrario, crea una presión negativa. Cuando el músculo se contrae y empuja hacia abajo, crea una presión negativa que succiona aire hacia los pulmones, similar a tirar del mango de una bomba de bicicleta para aspirar aire.

El equipo de Roche buscó diseñar un ventilador de presión negativa, un sistema que podría ayudar a aumentar la función natural del diafragma, particularmente para aquellos con disfunción respiratoria a largo plazo.

«Realmente estábamos pensando en las personas con enfermedades crónicas que tienen estas enfermedades degenerativas que empeoran progresivamente», dice ella.

‘El trabajo de respirar’

El nuevo sistema del que se informa en el documento consta de dos tubos largos, blandos e inflables, que se asemejan a un tipo de dispositivos neumáticos conocidos como actuadores McKibben. El equipo adaptó los tubos para que cruzaran el diafragma (de adelante hacia atrás) y se adhirieran a la caja torácica a ambos lados del músculo en forma de cúpula. Un extremo de cada tubo se conecta a una línea de aire externa delgada, que se conecta a una bomba pequeña y un sistema de control.

Al analizar las contracciones del diafragma, el equipo puede programar la bomba para inflar los tubos a una frecuencia similar.

«Nos dimos cuenta de que no tenemos que imitar exactamente cómo se mueve el diafragma, solo tenemos que darle un empujón adicional hacia abajo cuando se contrae de forma natural», dice Roche.

Los investigadores probaron el sistema en cerdos anestesiados, implantaron los tubos sobre el diafragma de los animales y unieron quirúrgicamente los extremos de los tubos a las costillas en cada extremo del músculo. Supervisaron los niveles de oxígeno de los animales y observaron la función de su diafragma mediante imágenes de ultrasonido.

El equipo descubrió que, en general, el ventilador implantable aumentaba el volumen corriente de los cerdos, o la cantidad de aire que los pulmones podían aspirar con cada respiración. La mejora más significativa se observó en los casos en que las contracciones del diafragma y los músculos artificiales estaban sincronizadas. En estos casos, el ventilador ayudó al diafragma a aspirar tres veces la cantidad de aire que lo haría sin asistencia.

«Estábamos emocionados de ver que podíamos obtener tales cambios en el volumen corriente y pudimos rescatar la ventilación», dice Roche.

El equipo está trabajando para optimizar varios aspectos del sistema, con el objetivo de implementarlo algún día en pacientes con disfunción diafragmática crónica.

«La visión es que sabemos que ciertas partes de este sistema podrían miniaturizarse», dice Roche. «La bomba y el sistema de control podrían usarse en un cinturón o una mochila, o incluso potencialmente implantarse por completo. Hay bombas cardíacas implantables, por lo que sabemos que es factible. Por ahora, estamos aprendiendo mucho sobre la biomecánica y el trabajo de la respiración. y cómo podemos aumentar todo eso con este nuevo enfoque».

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.