Gli ingegneri del MIT progettano un ventilatore morbido e impiantabile

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Per molti di noi, l'atto di respirare è naturale. Dietro le quinte, il nostro diaframma – il muscolo a forma di cupola che si trova appena sotto la cassa toracica – funziona come un trampolino lento e costante, spingendo verso il basso per creare un vuoto affinché i polmoni si espandano e inspirino aria, per poi rilassarsi quando l’aria viene espulsa. . In questo modo, il diaframma controlla automaticamente la nostra capacità polmonare ed è il muscolo principale responsabile della nostra capacità di respirare.

Ma quando la funzione del diaframma è compromessa, l'istinto respiratorio diventa un compito faticoso. La disfunzione cronica del diaframma può verificarsi in persone affette da SLA, distrofia muscolare e altre malattie neuromuscolari, nonché in pazienti con paralisi e danni al nervo frenico, che stimola la contrazione del diaframma.

Un nuovo progetto di prova degli ingegneri del MIT mira un giorno a potenziare la funzione di sostegno vitale del diaframma e a migliorare la capacità polmonare per le persone con disfunzione del diaframma.

Il team del MIT ha sviluppato un ventilatore morbido, robotico e impiantabile, progettato per aumentare le contrazioni naturali del diaframma. Al centro del sistema ci sono due tubi morbidi, simili a palloncini, che possono essere impiantati per giacere sopra il diaframma. Quando gonfiati con una pompa esterna, i tubi agiscono come muscoli artificiali per spingere verso il basso il diaframma e aiutare i polmoni ad espandersi. I tubi possono essere gonfiati ad una frequenza adatta al ritmo naturale del diaframma.

I ricercatori hanno dimostrato il ventilatore impiantabile in modelli animali e hanno dimostrato che, in caso di funzione del diaframma compromessa, il sistema era in grado di migliorare significativamente la quantità di aria che i polmoni potevano aspirare.

C’è ancora molto lavoro da fare prima che un tale sistema impiantabile possa essere utilizzato per trattare gli esseri umani con disfunzione cronica del diaframma. Ma i risultati preliminari aprono una nuova strada nella tecnologia della respirazione assistita che i ricercatori sono ansiosi di ottimizzare.

"Questa è una prova di concetto di un nuovo modo di ventilare", afferma Ellen Roche, professore associato di ingegneria meccanica e membro dell'Istituto di ingegneria e scienza medica del MIT. “La biomeccanica di questo progetto è più vicina alla respirazione normale, rispetto ai ventilatori che spingono l’aria nei polmoni, dove si dispone di una maschera o di una tracheostomia. C'è una lunga strada prima che questo venga impiantato in un essere umano. Ma è entusiasmante poter dimostrare che possiamo aumentare la ventilazione con qualcosa di impiantabile”.

Roche e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi i loro risultati su Nature Biomedical Engineering. I suoi coautori al MIT includono la prima autrice ed ex studentessa laureata Lucy Hu, così come Manisha Singh e Diego Quevedo Moreno; insieme a Jean Bonnemain dell'Ospedale universitario di Losanna in Svizzera, e Mossab Saeed e Nikolay Vasilyev del Boston Children's Hospital.

Una leggera pressione

Il design del ventilatore impiantabile del team è nato dal precedente lavoro di Roche su un dispositivo di assistenza per il cuore. Come studente laureato presso l'Università di Harvard, Roche ha sviluppato una manica cardiaca progettata per avvolgere il cuore per alleviare la pressione e fornire supporto mentre le pompe dell'organo.

Ora al MIT, lei e il suo gruppo di ricerca hanno scoperto che un’assistenza robotica simile potrebbe essere applicata ad altri tessuti e muscoli.

“Abbiamo pensato, qual è un altro grande muscolo che pompa ciclicamente e sostiene la vita? Il diaframma”, dice Roche.

Il team ha iniziato a esplorare progetti per un ventilatore impiantabile ben prima dell’inizio della pandemia di Covid-19, quando l’uso di ventilatori convenzionali è aumentato insieme ai casi. Questi ventilatori creano una pressione positiva, in cui l’aria viene spinta verso il basso attraverso le vie aeree centrali del paziente e forzata nei polmoni.