El Grupo de Innovación Educativa de Ingeniería de Materiales de la Universidad Politécnica de Madrid está formado por veinte profesionales dedicados a la investigación y la docencia en el ámbito de la Ingeniería de Materiales, del Departamento de Ciencia de Materiales de la UPM, pionero en la enseñanza de dicha disciplina en España.
Por José Miguel Atienza , Dr. Ing. de Caminos, Canales y Puertos, e Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)
La válvula aórtica, con su cierre y apertura cíclicos, permite que el corazón bombee el flujo sanguíneo suficiente para garantizar la respiración celular y las diversas funciones del metabolismo. Para hacerse una idea de la importancia de su comportamiento mecánico, es fácil calcular aproximadamente cuántas veces se ha abierto y cerrado una válvula aórtica durante la vida de una persona de ochenta años: cerca de 3.000 millones de ciclos. Se trata, por tanto, de un diseño mecánico con un extraordinario comportamiento en fatiga.
Figura 1. Esquema de la válvula aórtica. ©2009. Nucleus Medical Media, Inc.
Las prótesis valvulares cardiacas sustituyen a las válvulas nativas que han sufrido un daño irreparable en su función o que genéticamente son defectuosas. Existen dos tipos de válvulas: artificiales (o mecánicas) y biológicas.
Las prótesis mecánicas están formadas por oclusores rígidos en cuya fabricación no se incluye el uso de material biológico. Son seguras y resistentes, pero precisan tratamientos anticoagulantes de por vida, con su correspondiente medicación y control periódico, por lo que sólo pueden usarse en países con un gran desarrollo sanitario. En este post nos centraremos en los diseños y materiales que se utilizan para fabricar dichas válvulas, dejaremos para otro las válvulas biológicas.
Válvulas Mecánicas
El misterio que ha rodeado al corazón ha condicionado que hasta finales del siglo XIX no se realizaran sobre él las primeras suturas. La primera prótesis valvular documentada fue la válvula de bola desarrollada por Charles Hufnagel que se colocó en la aorta torácica descendente de un paciente en 1952, antes incluso del desarrollo de la circulación extracorpórea. Desde ese momento, la evolución de las válvulas cardiacas se convirtió en un apasionante recorrido de más de cincuenta años en el que medicina e ingeniería de materiales han trabajado de la mano.
Desde el punto de vista de los materiales, como sucede en otras aplicaciones dentro del cuerpo humano, además de una exigencia importante en propiedades mecánicas, durabilidad y ligereza, existe un condicionante clave: los aspectos relacionados con la biocompatibilidad. En este caso, resulta fundamental que el material utilizado sea lo menos proclive posible a la formación de trombos y coagulación de la sangre.
A finales de los años 50 había pocos materiales disponibles para su utilización en seres humanos: Dacron y Teflon (derivados del polietileno) en injertos vasculares; Silastic (caucho de silicona) para derivaciones en la hidrocefalia; Lucite (material acrílico) en la prótesis de aorta descendente; y acero inoxidable y Stellite (aleación cobalto-cromo) en ortopedia.
La gran revolución llegó con el carbón pirolítico (Pyrolyte o Pyrocarbon), descubierto en 1966 por J. Bokros, cuando investigaba un material para recubrimientos de combustible nuclear. El carbón pirolítico es grafito bombardeado con átomos de carbón a muy altas temperaturas, un material casi tan duro como el diamante y con muy poco desgaste. Tiene una estructura similar al grafito, pero ciertas imperfecciones le permiten desarrollar enlaces fuertes entre las diferentes láminas de grafeno. Pero su gran ventaja en este caso consiste en ser el material resistente menos trombogénico (poco proclive a producir trombos o embolias) que se conoce, lo cual resulta clave para estas válvulas artificiales.
Tipos de válvulas mecánicas
Actualmente se distinguen tres tipos de prótesis mecánicas según su diseño, que determina el flujo de la sangre. A continuación describimos los materiales más frecuentemente utilizados para cada una:
– De bola: La más conocida es la válvula de Starr-Edwards (Fig. 2), la primera válvula mecánica en implantarse de forma masiva. Originalmente estaba constituida por una jaula de Lucite, una bola de Silastic y un anillo de Teflon sobre soportes de acero. Más tarde, la bola pasó a ser de Stellite. La idea original para el diseño de esta prótesis está basada en una patente de tapón de botella de vino y, a pesar de las críticas iniciales debidas a sus diferencias físicas con la válvula aórtica nativa, ha demostrado una durabilidad superior a los 40 años sin daño estructural, por lo que aún sigue siendo utilizada.
– De disco basculante: Las prótesis de disco basculante mejoran el flujo, si bien se convierte en un flujo excéntrico. En 1970 se construyó la prótesis de Björk-Shiley (Fig. 3) en Stellite; inicialmente el disco se fabricó con un polímero (Delrin), pero pronto se sustituyó por grafito recubierto con carbón pirolítico. Otras prótesis de similares características son: Lillehei-Kaster (titanio y el disco basculante en carbón pirolítico, 1970), pronto sustituida por Lillehei-Medical (íntegramente en carbón pirolítico), Omniscience (1978), Omnicarbon (1984) o Medtronic-Hall (1977).
Figura 3. Válvula mecánica de disco basculante (Björk-Shiley)
– Bivalvas: La idea de las prótesis bivalvas es lograr un flujo central, que genera una hemodinámica similar a la fisiológica. Para conseguirlo se utilizan dos valvas semicirculares conectadas al anillo por una bisagra de mariposa: en la apertura pivotan creando tres áreas de flujo, una central y dos periféricas, consiguiendo que las turbulencias sean mínimas y que el área valvular efectiva sea prácticamente la del anillo.
En 1977 se implantó la primera prótesis de St Jude, construida en carbón pirolítico, diseño que no se modificó en 30 años. En 2002 St Jude Medical cubría más del 50% del mercado de las prótesis valvulares y en 2007 se habían implantado más de 2 millones de estas prótesis. En 1994 Bokros fundó el Medical Carbon Research Institute (MCRI) para utilizar una forma de carbono isotrópico puro con el que desarrolló una nueva prótesis bivalva, la On-X, cuya trombogenicidad podría ser menor que la del carbón pirolítico (http://www.onxlti.com/contract-manufacturing/on-x-pyrolytic-carbon/).
Figura 4. Válvula mecánica bivalva (St. Jude Medical)
La evolución de los diseños de las prótesis mecánicas y la utilización de nuevos materiales en su construcción han ido mejorando el funcionamiento hemodinámico y la durabilidad. La trombogenicidad también se ha ido reduciendo, especialmente desde la introducción del carbón pirolítico. El encuentro médico-ingeniero se ha hecho imprescindible, acrecentando el diálogo entre ambas disciplinas. Hoy por hoy, en el producto final de una válvula cardiaca concurren profesionales de diversas áreas: cardiólogos, cardiocirujanos, ingenieros mecánicos, ingenieros electrónicos, ingenieros de materiales, entre otros; aportando cada uno su campo del saber, pero confluyendo hacia un mismo objetivo.
En el año 2008, según Registro de la Sociedad Española de Cirugía Torácica y Cardiovascular (http://www.sectcv.es/), se implantaron en España un total de 11167 prótesis, de las cuales 5235 fueron mecánicas. Ninguna es de patente española. El gasto estimado supera los 15 millones de euros anuales.
Fuente:
– Selección de materiales de base colágeno para bioválvulas cardiacas. J.M. Atienza, J.M. García Páez, L. Álvarez, R. Claramunt, F.J. Rojo, A. Ros, G.V. Guinea. Libro: INSUFICIENCIA CARDIACA SEVERA, editor: E. Cabrera Fischer y R. Armentano, Universidad Favaloro, 2012
– Lefrak EA, Starr A. Cardiac valve prostheses. Appleton-Century-Crofts. New York. 1979
– DeWall RA, Qasim N, Carr L. Evolution of mechanical heart valves. Ann Thorac Surg;69:1612-1621; 2000
– www.onxlti.com
– www.pyrocarbon.com