CUORE ARTIFICIALE

INTRODUZIONE
Il cuore artificiale è un'apparato a componenti meccanici o idropneumatici o elettrici o elettronici o di varia natura insieme collegati, in grado di svolgere le funzioni fisiologiche del c. umano, completamente impiantabile nel corpo umano e autonomo al punto tale da garantire al portatore un'attività fisica a tutti gli effetti normale. Il c. artificiale rappresenta, perciò, la soluzione di malformazioni o malattie cardiache non risolvibili attraverso farmaci o interventi chirurgici parziali (sostituzione di valvole, ecc.) e si colloca in posizione alternativa alla pratica del trapianto cardiaco. È uno dei primi problemi affrontati nel campo della bioingegneria poiché il c., pur nella sua complessità, è, fra gli organi del corpo umano, uno dei più estesamente conosciuti e più facilmente isolabili dal punto di vista funzionale. Il c. può essere paragonato a una pompa di tipo alternativo che ha il compito di garantire la circolazione del sangue attraverso i vari distretti dell'organismo. Normalmente il volume di sangue presente nel corpo è di 5 litri per l'uomo e di 4,5 per la donna, mentre per la portata, e cioè il volume di sangue messo in circolo nell'unità di tempo, varia al variare dell'attività fisica nervosa ed emotiva, passando dai 5 l/m in condizioni di riposo ai 30 l/m per atleti sotto sforzo. Tale aumento di portata è ottenuto sia mediante un aumento della frequenza cardiaca (da 60 a 150 battiti il minuto), sia mediante un aumento della gittata (volume di sangue pompato a ogni contrazione). Per la circolazione di questa portata il c. umano esercita una potenza di pompaggio variabile dai 2 ai 15 watt, la pressione di mandata va dai 120 ai 180 mm di Hg. Sulla base di tali valutazioni sono in corso sperimentazioni per realizzare un impianto che, oltre a soddisfare queste esigenze, possegga dimensioni e peso che ne rendano possibile l'impianto nel corpo umano, sia compatibile con i tessuti organici con cui viene a contatto, non provochi nel sangue un livello emolitico superiore a certi limiti, non sia fonte di rumori o vibrazioni nocive o comunque fastidiose, garantisca un lungo periodo di funzionamento in assenza di manutenzione. Ciò crea non pochi problemi: anzitutto il tipo e la dislocazione della fonte di energia che fornisce la potenza necessaria all'impianto. Se viene situata all'esterno del corpo richiede un dispositivo sicuro e non traumatico di trasferimento dell'energia attraverso la cute, p. es. un sistema di trasmissione elettromagnetica; in questo caso il c. artificiale può essere azionato da una batteria elettrica impiantata esternamente e ricaricabile periodicamente, p. es. durante il riposo notturno. Tra le fonti d'energia impiantabili si possono citare in ordine d'importanza le batterie a radioisotopi, le celle a combustibile biologico, le batterie galvaniche, le sorgenti d'energia di tipo chimico (a idrocarburi, ecc.). All'interno del corpo umano esistono tuttavia organi dotati di movimenti involontari (p. es. il diaframma) oppure potenziali bioelettrici che possono in linea teorica fornire l'energia necessaria per l'azionamento del c. artificiale. La variabilità della richiesta di potenza da parte dell'organismo durante il giorno rende necessario inoltre un sistema di accumulazione qualora la fonte d'energia non sia regolabile come nelle batterie a radioisotopi. Tale accumulazione può avvenire a livello d'energia termica o elettrica o pneumatica. Altro problema è la scelta del sistema di conversione dell'energia: tale scelta è strettamente legata al tipo di energia resa disponibile dalla sorgente (termica, elettrica, ecc.); la complessità del problema è tanto maggiore quanto più l'energia suddetta è diversa da quella meccanica necessaria per conferire al sangue la pressione e la velocità necessarie. La parte meccanica di un c. artificiale, cioè il c. artificiale vero e proprio, è costituita dai sistemi di pompaggio del sangue; gli organi adottati, in campo sia clinico sia sperimentale, sono la pompa a creazione di camera, o di tipo "roller", già usata nella macchina per la circolazione extracorporea, e la pompa a camera localizzata o ventricolo artificiale che sembra la più idonea per un c. artificiale. Quest'ultima può essere del tipo a sacco, in cui la variazione di volume e quindi la gittata sono ottenute mediante una variazione di forma di tutto il ventricolo, o del tipo a diaframma, in cui la gittata è determinata dallo spostamento di una parete. Ventricoli a sacco extracorporei, azionati ad aria compressa, sono stati recentemente usati per mantenere in vita un paziente in attesa di trapianto. Il c. artificiale, come del resto il c. naturale, è una "macchina" caratterizzata da un certo rendimento: nel caso del c. naturale tale rendimento varia dal 10 al 20%. Nell'ipotesi di una riproduzione fedele del funzionamento naturale si sviluppa perciò a ogni ciclo una quantità di calore che va da 5 a 10 volte il lavoro di pompaggio: tale calore deve essere smaltito dal sangue che ha quindi anche la funzione di liquido di raffreddamento. Lo stesso dicasi per le eventuali scorie prodotte dall'impianto. È necessario, naturalmente, che calore e scorie siano contenuti entro limiti tali da non danneggiare il sangue o gli altri organi preposti allo smaltimento dei prodotti metabolici (reni, fegato, polmoni, ecc.). Occorre infine una corretta regolazione ciclica e funzionale del c. artificiale.

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