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Reporte técnico Proyecto de Diseño 2 – IBIO 3870 Departamento de Ingeniería Biomédica 2021-20 Filtro de vena cava inferior a partir de un biopolímero funcionalizado Miembros del grupo: Luisa Fernanda Fuentes Melo Catalina Rangel Pardo Mateo Báez Suarez Álvaro José Echeverry Mora Kevin Javier Méndez Vargas Mario Andrés Pacheco Gutiérrez Mentores: Ingeniero Juan Carlos Briceño PhD, Universidad de los Andes Dr. Jorge Ulloa, Cirujano Vascular Fundación Santafé de Bogotá María Alejandra Rodríguez, Estudiante de doctorado, Universidad de los Andes Natalia Suarez, Estudiante de doctorado, Universidad de los Andes Andrés Brandt, Estudiante de maestría, Universidad de los Andes Holmer Pínto, Tecnico de laboratorio, Universidad de los Andes Institución: Universidad de los Andes Fecha: Diciembre 8 de 2021 2 Contenido 1 Resumen ejecutivo 4 2 Identificación y detección de la necesidad 4 2.1 Enfoque estratégico 4 2.2 Identificación de la necesidad insatisfecha 4 2.2.1 Observación 4 2.2.2 Conocimientos y perspectivas 4 2.2.3 Oportunidades 5 2.2.4 Problema central 5 2.2.5 Población 5 2.2.6 Resultado deseado 6 2.2.7 Problema y fundamentos del estado de enfermedad 6 2.2.8 Soluciones existentes y tratamientos actuales 7 3 Especificaciones de la necesidad 8 3.1 Declaración de la necesidad seleccionada 8 3.2 Validación de la necesidad 8 3.3 Criterios y especificaciones de la necesidad 8 4 Concepto 9 4.1 Restricciones de diseño 9 4.2 Ideación y generación de conceptos 10 4.2.1 Preguntas de Helmeier 12 4.2.2 Factibilidad 13 4.3 Ideación y selección de concepto 14 4.4 Concepto final 14 4.5 Nombre del producto 15 5 Producto minimo viable (MVP) 15 6 Prueba de concepto 15 7 Solución 16 7.1 Especificaciones de la solución 16 7.2 Aspectos Regulatorios 17 7.3 Estandares de Ingeniería 18 7.4 Pruebas, Verificación de Diseño y Validación de Diseño 18 8 Implementación y estrategia de desarrollo 20 8.1 Estrategia de Propiedad Intelectual (IP) 20 8.2 Investigación y estrategia de desarrollo 20 8.3 Estrategia Clínica 20 3 8.4 Estrategia regulatoria 21 8.5 Manejo de calidad 21 8.6 Estrategia de reembolso 21 8.7 Modelo de negocios – CANVAS 22 8.8 Marketing, stakeholders, ventas y estrategia de distribución 22 8.9 Estrategia de negocios y ventajas competitivas 23 8.10 Plan operativo y modelo financiero 23 8.11 Estrategia de comunicación 24 8.12 Equipo de trabajo 24 9 Impactos y consideraciones 24 10 Discusión y conclusiones 25 11 Agradecimientos 25 12 Referencias Bibliográficas 26 13 Anexos 28 4 1 Resumen ejecutivo Después de realizar el proceso de observación en laboratorios y centros médicos en Bogotá, se logra determinar que el tratamiento actual para retención de coágulos en el sistema venoso es un problema de gran impacto tanto a nivel mundial como dentro del país. En este artículo se evidencia el proceso que se siguió para encontrar una solución a estos problemas mediante la optimización de los tratamientos actuales. Se optó por el uso de un dispositivo que fuera capaz de retener los coágulos, disminuir la capacidad de coagulación de la sangre y que presentara biocompatibilidad para evitar una segunda intervención quirúrgica de retiro del dispositivo. Esto es posible mediante un filtro de vena cava hecho en Neo TPU y un recubrimiento físico funcionalizado con heparina. 2 Identificación y detección de la necesidad 2.1 Enfoque estratégico Nuestra misión está dirigida en buscar la solución a un problema de la ingeniera biomédica que genera alto impacto en nuestra sociedad, aplicando todos nuestros conocimientos y aptitudes adquiridos a lo largo de la carrera. Para esto, buscamos realizar el proyecto de forma organizada en un ambiente de respeto, cordialidad y compromiso con las actividades del equipo, trabajando de manera conjunta para cumplir con las metas del curso y para contribuir al mejoramiento de nuestro sistema de salud. 2.2 Identificación de la necesidad insatisfecha Se realizaron múltiples entrevistas con especialistas médicos, profesores de la Universidad de los Andes y algunos pacientes de enfermedades cardiovasculares. El doctor Jorge Ulloa, especialista en el área de cirugía cardiovascular de la fundación Santa Fe, nos resaltó los diferentes problemas y dificultades que pueden presentarse al realizar los procesos de implantación y extracción de dispositivos biomédicos de filtración en el cuerpo humano. Se encontró principalmente esto ocurre en pacientes con problemas circulatorios de formación de coágulos, los cuales pueden migrar hasta los pulmones provocando una muerte súbita de la persona. Por un lado, al insertar un dispositivo también se corre el peligro de generar una respuesta autoinmune que desencadene en la cadena de coagulación, generando más problemas de los existentes. Por otro lado, la extracción de este dispositivo tiene la desventaja de generar estenosis venosa debido al sistema de agarre que presentan los dispositivos, pues al volver a introducir el filtro en el catéter se desgarra la piel de la zona. Ahora bien, es importante resaltar que se contactó con los profesores Juan Carlos Briceño, Johan Osma y Juan Carlos Cruz para abordar el problema y desarrollar soluciones desde el área de dinámica cardiovascular, biomateriales y nanotecnología. Adicionalmente, las estudiantes doctorales María Alejandra Rodríguez y Natalia Suarez, nos brindaron información valiosa y disponibilidad para el asesoramiento práctico durante los experimentos en los laboratorios. 2.2.1 Observación Se llevo a cabo el proceso de observación mediante un tour guiado y mosca en la pared en la Fundación Santa Fe con el doctor Jorge Ulloa (ver anexo 1) y en la Universidad de los Andes gracias al profesor Juan Carlos Briceño y las estudiantes doctorales Natalia Suarez y María Alejandra Rodríguez en distintos laboratorios de dinámica cardiovascular. En una primera instancia, un integrante del grupo estuvo presente en un proceso de extracción de un filtro de vena cava inferior metálico en la Fundación Santa Fe. Complementando esto, se añade la profunda búsqueda de literatura que se realizó por parte del grupo para entender y comprender el problema actual que conlleva este tratamiento y que soluciones existentes aplican actualmente. 2.2.2 Conocimientos y perspectivas El tratamiento actual de la migración de coágulos sanguíneos en pacientes que presentan problemas de coagulación de la sangre, causado ya sea por traumas, embolia pulmonar o trombosis venosa profunda, radica en la inserción o remoción de filtros metálicos y biopolímeros en la vena cava inferior vía cateterismo. Es 5 importante resaltar que estos filtros retienen la migración de los coágulos formados, permitiendo el flujo normal de la sangre y previniendo al paciente de posibles complicaciones cardiovasculares que puedan producir la muerte a futuro. De acuerdo con el proceso de observación realizado, el doctor indica que los filtros se dejan insertados en los pacientes a excepción de los casos donde se presenta un problema debido a un posible taponamiento y es por esto por lo que se requiere entonces de una segunda intervención quirúrgica para extraerlo. Ahora bien, también existen filtros actualmente que tienen una parte degradable y otra permanente, lo que permite disminuir el peligro de desarrollo de estenosis a largo plazo [1]. 2.2.3 Oportunidades El proceso de retención de coágulos sanguíneos permite evidenciar mejoras en la atención y tratamiento de pacientes con enfermedades cardiovasculares. En este sentido, junto con nuestro equipo, identificamos la oportunidad de diseñar y desarrollar un filtro de vena cava inferior. El objetivo principal de este filtro radica en el uso de una geometríacon capacidad de retener coágulos sanguíneos en el sistema venoso, manteniendo el flujo normal y apropiado de la sangre del paciente. Adicionalmente, presenta una estructura flexible en forma de red que le permite acoplarse a las paredes de la vena en la cual es insertada sin generar estenosis o trombosis venosa profunda en pacientes con problemas circulatorios. Como equipo se identifica la necesidad de desarrollar un filtro de bajo costo, que sea asequible para gran parte de la población colombiana, y que este posea un componente fármaco activo que mejore la tasa de degradación y evite la formación de los coágulos. 2.2.4 Problema central En cuanto a la colocación del filtro de vena cava se encontró en la literatura que se realiza generalmente vía catéter y se deben tener en cuenta más estudios imagenológicos como puede ser la venografía, ultrasonografía dúplex o ultrasonido intravascular para determinar el diámetro. También, se debe lograr una ubicación optima del filtro, ubicar el nivel de las venas renales y saber si estas presentan alguna anomalía significativa como puede ser la duplicidad de la vena cava inferior o simplemente para descartar que se presenten ya trombos en la zona [4]. A pesar de llevar el procedimiento correctamente, se pueden presentar complicaciones de modo inmediato o a largo plazo, con un promedio de 0.3% de complicaciones mayores y menos del 0.2% de pacientes fallecen como resultado de la colocación del filtro. La trombosis en la zona de ubicación del filtro es la complicación más común y suele depender del calibre del sistema de deposición que suele estar entre 2-28% al igual que la tasa de trombosis de la vena cava inferior; la perforación de la vena cava inferior tiene un porcentaje de incidencias del 9-24%; la migración del filtro ocurre entre un 3-69% mientras que la embolización del filtro, su desplazamiento o incluso su fractura ocurre en menos de un 1% [2]. 2.2.5 Población Para lograr definir y segmentar la población interesada en el proyecto se hizo uso de un mapa de partes interesadas para la necesidad identificada como se puede observar en la figura 1. Inicialmente, se definió la población directamente relacionada con la necesidad identificada que son los pacientes que, por un lado, sufren embolia pulmonar y aquellos que tienen traumas o permanecen inmóviles. En ambos casos, la formación de coágulos de sangre son un riesgo para la salud de ellos por lo que son los actores con más interés e influencia en el proyecto planteado. El proyecto debe fundamentarse en la satisfacción de estos usuarios, ya que son los directamente involucrados en el problema y que tendrán la mayor satisfacción del éxito de del proyecto. Ahora bien, se definió que el grupo 8/Bio-lives es el actor más importante, pues nosotros seremos los que daremos solución a la necesidad que identificamos. Esto quiere decir, que claramente, nuestro interés e influencia es lo más importante para llevar a cabo un proyecto exitoso. Por otro lado, los hospitales y los cardiólogos son otras partes interesadas que tienen mayor influencia e interés en el desarrollo del proyecto. Los cardiólogos, contribuirán en la retroalimentación de las soluciones que se planteen y ellos, al tener un conocimiento más especificó de esta problemática, ayudarán a llevar una línea fija hacía el objetivo del proyecto. Asimismo, los hospitales son quienes se interesarían en el desarrollo final del producto, siendo aquellos que permitirán el uso de nuestra solución para la problemática definida. 6 Ahora bien, se identificó a los asesores como partes medias interesadas pues al ser un equipo multidisciplinario tendrán una influencia e interés significativos en el desarrollo del producto final. Desde diferentes puntos de vista, darán retroalimentación e ideas importantes que nos ayudarán a enfocar una solución eficaz y adecuada. Igualmente, se definió que los inversionistas es una parte que podría tener un gran interés en el desarrollo del dispositivo y con la ayuda de ellos sería más fácil la producción de este. Finalmente, el INVIMA tiene gran influencia en la comercialización de nuestra idea final, ya que es el organismo regulador que permitirá llegar a los pacientes y certificará nuestro modelo estándar del producto. Figura 1. Mapa de stakeholders relacionados con la necesidad identificada. 2.2.6 Resultado deseado El éxito del proyecto no sólo tendrá relevancia en la calidad de vida de las personas involucradas directamente con la problemática, sino que se espera que el tratamiento de muchas enfermedades relacionadas con las trombosis pueda ver en nuestro proyecto una alternativa viable y que nuestro dispositivo promueva el desarrollo de nuevos dispositivos y/o tratamientos innovadores, accesibles y eficaces en Colombia. De la mano de esto, se espera tener un gran impacto en los hospitales que es donde se espera que la comercialización de nuestro dispositivo final se haga de manera exponencial. Sin embargo, nuestro impacto radica en el bienestar de vida de los pacientes pues se espera que se reduzcan todos riesgos asociados a los tratamientos actuales para la necesidad identificada. 2.2.7 Problema y fundamentos del estado de enfermedad Las enfermedades cardíacas, en especial la trombosis y la embolia pulmonar presentan un índice a nivel mundial preocupante, lo cual ha llevado a especialistas a plantearse diversas soluciones y tratamientos. Entre las incidencias de esta enfermedad se encuentra que la embolia pulmonar es la tercera causa más común de enfermedad cardiovascular después de infarto y el síndrome coronario agudo en el mundo [3]. Con respecto al tromboembolismo pulmonar, según estadísticas, se encontró que cerca del 89% de pacientes sobreviven después de la primera hora de este ataque, dejando a cerca del 11% de pacientes fallecidos. Pero algunas de las estadísticas más preocupantes son que: solo cerca del 29% de pacientes logran obtener un diagnóstico y un tratamiento específico que beneficia posteriormente a la tasa de supervivencia con un 92% y un 8% de fallecimientos. Por el contrario, los pacientes que no son diagnosticados de manera adecuada, es decir cerca del 71%, solo el 70% logran sobrevivir dándonos una tasa de 30% de fallecimiento en este caso [3]. Se dice que solamente en Estados Unidos la incidencia estimada de tromboembolismo pulmonar se eleva a 200.000 con una cifra total anual de cerca de 500.000 pacientes. Cabe resaltar que a estas incidencias se deben agregar las de los pacientes con indicaciones aceptables que, médicamente, se refiere a pacientes con traumas severos, en especial de cráneo o columna o fracturas en huesos largos que deben ser inmovilizados y permanecer 7 en cuidados intensivos [4], lo que puede conllevar a tromboembolismo pulmonar y requerir de una operación. Otras incidencias encontradas en la literatura se dan cuando hay pacientes con embolismo pulmonar recidivante, los cuales a pesar de ser recetados con tratamientos anticoagulantes pueden formar coágulos desatando un tromboembolismo pulmonar, a pesar de que es menos del 5% de los pacientes que pueden presentar esta condición, si al revisar y modificar la dosis administrada persiste una re-embolización se debe colocar un filtro [4]. Adicionalmente, se puede presentar pacientes con embolismo pulmonar o trombosis ilio- femoral con trastorno grave de coagulación o con embolismos sépticos que suelen ser condiciones que recomiendan los médicos tratar con ayuda del filtro de vena cava [4]. 2.2.8 Soluciones existentes y tratamientos actuales Existen múltiples tratamientos para la embolia pulmonar y la trombosis venosa profunda, entro los cuales se encuentras: • Anticoagulantes: Son medicamentos que reducen la capacidad de coagulación de la sangre para evitar una mayor acumulación de células sanguíneas de la que el cuerpo puede reabsorber. Estosmedicamentos pueden ser suministrados de manera oral o inyectada. De entre los más frecuentes se encuentran la heparina no fraccionada, la cual es inyectada directamente en una vena; la heparina de bajo peso molecular que se inyecta bajo la piel y Warfarina, Dabigatran, Apixaban y Edoxoban que se suministran vía oral [5]. Es importante tener en cuenta que los anticoagulantes pueden causar hemorragias, por lo tanto, es fundamental que el paciente se encuentre bajo una vigilancia cuidadosa para evitar que se presenten sangrados inusuales. • Medicamentos trombolíticos: Estos medicamentos son conocidos como “destructores de coágulos” ya que disuelven y degradan las acumulaciones de células en el torrente sanguíneo. En comparación con los anticoagulantes, presentan un mayor riesgo de causar sangrado crónico y se reservan para casos graves [5]. • Trombectomía y embolectomía: En casos sumamente extremos puede llegar a ser necesario que se realice un procedimiento quirúrgico para extraer el coágulo, la cual suele ser compleja y resultar más peligrosas para la integridad del paciente [5]. • Filtro de vena cava: Esta solución se da para pacientes que presentan contraindicaciones en el uso de anticoagulantes, consiste en ingresar vía catéter un dispositivo que suele inspirarse en un paraguas cónico, generalmente bajo las venas renales [6], con el objetivo de capturar o retener los émbolos o coágulos que viajan en el torrente sanguíneo antes de que lleguen a los pulmones [5]. Existen diversos materiales con los que se fabrican, siendo principalmente usados metales tales como el acero inoxidable o el titanio ya que permiten asegurar una permanencia dentro del paciente sin perder propiedades de rigidez. Aun así, existen algunas geometrías que son permanentes o retirables dependiendo de cada paciente [4], a continuación, se mostrará una tabla resumen de geometrías y materiales de los dispositivos más usados: Tabla 1. Características de los filtros de vena cava permanentes, retirables y temporales [4]. 8 3 Especificaciones de la necesidad 3.1 Declaración de la necesidad seleccionada Una forma de mejorar el tratamiento de actual de retención de coágulos en la vena cava inferior, sin generar trombosis venosa profunda o estenosis y sin la necesidad de una segunda intervención quirúrgica para pacientes con problemas circulatorios. 3.2 Validación de la necesidad Cómo se estipula en la sección 2.2.1 se realizó la observación del proceso de extracción de un filtro de vena cava inferior metálico. A partir de esto se resaltan algunos puntos importantes que validan la necesidad identificada: - En primer lugar, con el médico se logró identificar que la implantación del filtro de vena cava inferior presenta ciertos riegos como lo son la infección y respuesta inmune por la utilización de metales. - En segundo lugar, se encontró que el filtro de vena cava puede generar estenosis debido a que la geometría del dispositivo no es la más adecuada y puede hacer que la vena se rasgue o se lesione. - En tercer lugar, hay un riesgo importante de que el filtro migre por las dinámicas mismas del sistema cardiovascular. De acuerdo con esto, es importante tener en cuenta que el filtro debe poder contrarrestar la resistencia que se genera. - Finalmente, a partir de la observación se encontró que hay posibilidad de una segunda intervención quirúrgica en consecuencia de mala posición del filtro, migración o diferentes factores que no contribuyen al buen funcionamiento de este. Ahora bien, por otro lado, se realizó una búsqueda bibliográfica en la que se evidenció la relevancia de la necesidad identificada pues la embolia pulmonar corresponde a la tercera enfermedad vascular más prevalente después de infarto y síndrome coronario agudo y un tercio de la población mundial sufre de esta enfermedad. Además, cerca del 89% de los pacientes sobreviven la primera hora de después de un ataque trombólico pulmonar, mientras que el 11% fallece posteriormente. De este 89% solo el 29% es diagnosticado y tratado, por lo que el 71% no cuenta con esta información, lo que afecta la supervivencia del paciente, tanto que el 92% de los pacientes diagnosticados sobreviven y el 8% fallecen, mientras que de los pacientes que no son diagnosticados, el 30% fallece [1]. Es por esto por lo que se encontró que el tratamiento actual que consiste en la inserción de un filtro de vena cava puede ser mejorado para disminuir la estenosis generada a largo plazo al dejar insertado el filtro y disminuir el daño en la pared vascular que se genera al efectuarse la remoción de este. Otra incidencia importante es que se da en una edad media de 55-60 años y se da en un porcentaje un poco mayor en mujeres que en hombres [2]. 3.3 Criterios y especificaciones de la necesidad A partir de la necesidad identificada y haciendo un análisis detallado de las soluciones existentes, se establecieron las diferentes especificaciones que debería cumplir nuestra solución para llevar a cabo un proyecto adecuado. Para ello, se hizo uso del método MoSCoW, como se evidencia en la Figura 2, definiendo entonces: • Must-have (Debe tener): El proyecto debe presentar una solución que implique el desarrollo de un dispositivo físico de un filtro de vena cava. De acuerdo con esto, la solución deberá tener una geometría adecuada que permita su inserción en un catéter para realizar el proceso de implantación correctamente. También, se definió que uno de los requerimientos a tener en cuenta es el material a utilizar para la construcción del dispositivo, por lo que deberá ser un material biocompatible y flexible. Asimismo, el proyecto deberá incluir la utilización de un fármaco anticoagulante que ayude con la disminución de la capacidad de coagulación. Por otro lado, se estableció que la solución presentada debe ser accesible, es decir, que tenga un precio moderado para que sea accesible a la mayoría de las personas de la sociedad. También, se definió que Finalmente, y lo más importante, nuestra solución 9 deberá estar avalada y aprobada por los actores involucrados en el proceso del proyecto como lo son los asesores, doctores y usuarios del producto final. • Should-have (Debería tener): Se definió que un requerimiento deseado es que la solución planteada tenga un agarre mínimo que no dañe la vena cava. Además, la solución debería utilizar un material biocompatible para generar una respuesta inmune mínima por parte del organismo. • Could-have (Podría tener): El dispositivo podría ser híbrido, es decir, con una parte métalica (en menor medida) y una biodegradable. Además, podría tener una forma de sombrilla para facilitar la expansión al ingresar en la vena cava. • Won’t-have (No tendrá): Un recubrimiento para tener un seguimiento del dispositivo mediante rayos X ante una posible migración y no tendrá un medicamento que degrade coágulos ya creados. A partir de lo anterior, se presenta una tabla que resume las características aceptables y deseadas del filtro de vena cava inferior propuesto y se explica cómo contribuye dicha característica a la satisfacción de la necesidad planteada. Tabla 2. Características aceptables y deseadas del filtro de vena cava. Aceptable Deseada ¿Por qué garantiza la satisfacción de la necesidad? Filtro biocompatible. Filtro mitad biodegradable y mitad no biodegradable (metal). Evita las complicaciones generadas por una segunda intervención quirúrgica. Retención de coágulo físicamente. Eliminación del coágulo químicamente (por ejemplo, a través de la degradación de fibrinógeno). Se garantiza la eliminación total de coágulos indeseados en la vena cava. Filtro obtenido a partir de un molde. Filtro impreso en 3D. La impresión en 3D mejora significativamente la precisión en las dimensiones del filtro. Que el filtro se abra en la vena cava mediante unmecanismo de sombrilla incluyendo materiales adicionales para lograrlo. Que el filtro se abra en la vena cava automáticamente sin necesidad de usar materiales adicionales. El mecanismo de apertura permitirá que el dispositivo ejerza su función y el no usar materiales adicionales reducirá los costos de producción. Presencia de productos de descomposición en la sangre como bióxido de carbono, CO2 y metano. Presencia de ningún producto de descomposición nocivo para la salud. Se espera que el filtro no genere afecciones adicionales. 4 Concepto 4.1 Restricciones de diseño Para el desarrollo del prototipo de filtro de vena cava inferior nos encontramos con algunos factores que limitan el diseño y la experimentación práctica. En primera instancia, se encuentra la disponibilidad de recursos y personal médico especializado para realizar la inserción y seguimiento del filtro. Ahora bien, se identificaron algunas limitaciones con respecto al diseño de los prototipos propuestos. Una de las principales restricciones del diseño radica en la utilización de un material polimérico que sea biocompatible y este, a su vez, debe ser capaz de mantener su estructura y capacidad funcional durante el tiempo de 10 uso propuesto del dispositivo. Adicionalmente, el prototipo necesita mantener un diseño adecuado que permita facilitar la inserción y remoción del dispositivo vía cateterismo [15] pues, en caso tal de que el paciente llegue a presentar severas complicaciones debido a un posible taponamiento completo del filtro, una migración del dispositivo o una ruptura en la pared de la vena cava, los especialistas puedan intervenir rápidamente y retirar el filtro. En consecuencia, es importante que los filtros diseñados establezcan un mecanismo de contraste que permita facilitar el proceso de observación y seguimiento funcional de los dispositivos. Por otro lado, se encontraron limitaciones en cuanto a la geometría y el recubrimiento de los prototipos. La geometría propuesta en los diseños no debe ser demasiado rígida puesto que afecta el mecanismo de apertura del filtro, por lo que es necesario buscar una forma de brindar soporte y permitir un acoplamiento óptimo del dispositivo a las paredes de la vena. Además, la geometría seleccionada debe permitir la retención de coágulos de sangre de diferentes tamaños, evitando la migración, y su posterior degradación mediante el uso de enzimas o productos farmacológicos en el recubrimiento de los filtros. 4.2 Ideación y generación de conceptos 1. Adquisión de información: el siguiente diagrama muestra este proceso. Figura 2. Diagrama de adquisición de información para el prototipado. 2. Generación de alternativas. Las alternativas que se encontraron en cuanto a los filtros existentes se encuentran en el anexo 2. Con respecto a los materiales, se encontró que lo polímeros biodegradables son la mejor opción ya que estos son rígidos y se degradan en sustancias no citotóxicas para el cuerpo humano. En cuanto a las geometrías, se encontró que las que poseen un mejor desempeño, ya que presentan una menor migración y más resistencia son los que se muestran en las figuras 3 y 4. Figuras 3 y 4. Filtro de Günther-Tulip y Filtro de Cook [14]. 11 3. Selección de alternativa Lo primero que se realizó fue una búsqueda intensiva de los materiales, sus propiedades y costos. Se pregunto en la universidad a que materiales se tenía acceso y en que materiales era posible realizar impresión 3D. Finalmente, se realizó la siguiente tabla dando un puntaje entre 1 a 5 estrellas dependiendo de varios factores. Tabla 3. Evaluación de materiales y características de biomateriales [14][16][20][21][22]. Para las geometrías se realizó el mismo proceso, verificando cual era la más fácil de implementar en nuestro modelo pero que presente resultados positivos. Se califico de 1 a 5 estrellas cada geometría y se empleó esta información para generar nuestras propias propuestas combinando lo que creemos que es lo mejor de cada una. Tabla 4. Evaluación de geometrías existentes y características de elección [23][24]. Gracias a estos parámetros evaluados, se realizó un modelo propio en Autodesk Fusion 360 y se empleó una simulación en COMSOL para verificar los supuestos. Cabe resaltar, que nos basamos en un filtro de Cook modificado con algunas características de Günther-Tulip que se creyeron pertinentes para que cumplieran con los objetivos planteados del proyecto. 12 Figura 5. Prototipos iniciales del filtro de VCI realizado en Autodesk Fusion 360: dimensiones(a), estructura principal (b) y enmallado de la geometría (c). Posterior a la etapa de prototipado se realizó la reconstrucción del filtro de vena cava inferior, el cual tiene un diámetro máximo de 25 mm. En la parte inferior de las extremidades, se puede apreciar una unión con unos ganchos que permiten el anclaje apropiado del dispositivo a las paredes de la vena cava. Figura 6. Modelo de simulación realizado para el prototipo por medio del software COMSOL MULTIPHYSICS. Adicionalmente, se realizó una simulación en COMSOL como se muestra en la figura 6 utilizando las propiedades mecánicas y físicas del flujo laminar que va de derecha a izquierda, en donde se utilizó la viscosidad dinámica y la densidad del Neo TPU con el fin de analizar el perfil de velocidad. Para ello se simuló la vena cava como un cilindro hueco de 26.2 mm de diámetro y 400 mm de largo y se usó el archivo STL con las dimensiones y estructura obtenida en Autodesk Fusion 360 (ver anexo 3) para simular el filtro de manera simplificada. Además, se utilizó una malla extra gruesa que consiste en 17116 elementos de dominio, 3492 elementos de contorno, y 620 elementos en aristas con una presión inicial de 11 mmHg [25] y una velocidad inicial de 0.34 m/s [26]. Se encontró que la velocidad incrementa alrededor de la punta y a lo largo del borde, es decir, que las zonas estancadas se reducen de manera significativa, por lo que el flujo no se ve afectado y el uso de un filtro de vena cava de este tipo es viable. 4.2.1 Preguntas de Helmeier • ¿Qué están tratando de hacer? Estamos buscando una manera de atrapar los coágulos generados por ciertas afecciones y que pasan por la vena cava inferior que podrían viajar a los pulmones y producir la muerte del paciente. • ¿Qué se ha hecho hasta ahora y cuáles son los limitantes de la práctica actual? Hoy en día se utilizan filtros de vena cava, que pueden ser permanentes, temporales o mixtos. Para los primeros se suelen usar mezclas de níquel y titanio y no se retiran nunca, lo que aumenta el riesgo de embolia pulmonar; los segundos deben tener un sistema de retiro, pues deben durar relativamente poco dentro del cuerpo y los terceros son modelos híbridos, donde una parte es biodegradable y la otra no para facilitar una 13 posible cirugía posterior [10]. Cabe resaltar que estos filtros son circunstanciales, dado que no funcionan mejor que los anticoagulantes por sí solos, además, tienen más riesgos y pueden llegar a ser más costosos, por lo que solo se recomiendan para personas con coágulos profundos y que no pueden tomar anticoagulantes de manera segura (por ejemplo, en caso de que haya hemorragia o algún trastorno de sangrado) [11]. • ¿Qué tiene de nuevo su propuesta y por qué cree que esta será exitosa? Lo nuevo de la propuesta radica en que nuestro filtro será biocompatible, estable y migrará mínimamente del lugar de colocación, siendo capaz de retener los coágulos y disminuir la capacidad de coagulación. Dicha propuesta será exitosa dado que se reducirán costos con el hecho de no necesitar una segunda intervención quirúrgica para el retiro del filtro. • ¿A quién concierne? Es importante para aquellos pacientes con traumas y que se encuentran inmóviles, con un alto riesgo de emboliapulmonar y trombosis venosa profunda. • Si usted es exitoso, ¿qué diferencia habría? La propuesta innovadora de nuestro filtro radica en el hecho de que debe ser biocompatible y capaz de mantener su estabilidad y función durante 6 semanas como mínimo. Después de esto no se necesitaría una segunda intervención quirúrgica. Además, se evitaría el riesgo de embolia pulmonar y esto mejoraría significativamente la vida de pacientes con diferentes afecciones asociadas. • ¿Cuáles son los riesgos y los beneficios? De entre los riesgos se encuentra el hecho de que puede que migre antes de las 6 semanas y no se mantenga estable durante el tiempo requerido. También, si se usan biopolímeros como el ácido poliláctico (alternativa al Neo TPU), se obtendrían como productos de degradación bióxido de carbono, CO2 y metano que, en grandes cantidades podría llegar a afectar la salud del paciente, además de que son principales agentes contaminantes de la atmósfera y participan en el efecto invernadero [12]. Por otro lado, de entre los beneficios se tiene que los costos de adquirir un filtro de vena cava junto con los costos de intervención quirúrgica se reducirían significativamente, al igual que se evitan complicaciones adicionales por una segunda intervención quirúrgica para el retiro del material. • ¿Cuánto costará? Se busca reducir el precio del filtro, pero mantenerlo dentro del rango normal, el cual oscila entre los $1200 y $1500 dólares [13]. Se espera que cueste alrededor de 4’000.000. • ¿Cuánto tiempo tomará? Tomará aproximadamente 2 años en hacer un producto tangible y seguro. • ¿Cuáles son los “exámenes” intermedios y finales para verificar el éxito? Las pruebas intermedias consisten en diferentes caracterizaciones del material como lo son la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para verificar los grupos funcionales de los materiales del dispositivo, la prueba de hemólisis para verificar que el filtro interrumpa efectivamente la coagulación, la prueba de adhesión plaquetaria para comprobar que no genere respuesta autoinmune, prueba de coagulación para medir dicho fenómeno en la superficie del material. Como prueba final, se hará uso de la máquina de simulación vascular que deberá cumplir con el objetivo de retener los coágulos migrando mínimamente. 4.2.2 Factibilidad El desarrollo de dispositivos médicos vasculares requiere de la modificación de su superficie con el fin de ofrecer un conjunto de soluciones valiosas para el cuidado de la salud. Esto implica utilizar técnicas de fabricación con una amplia gama de materiales que incluyen metales, polímeros, carbonos y compuestos. No 14 obstante, los tejidos vivos encuentran desajustes cuando los materiales de los dispositivos que tienen diferentes propiedades fisicoquímicas interactúan con estos y se generan respuestas complejas como inflamación, rechazo e infección que pueden afectar la biointegración y el rendimiento de los dispositivos. Por lo tanto, como una de las soluciones planteamos realizar un recubrimiento pasivo a base de heparina, el cual es un potente anticoagulante. En trabajos previos se describe que, como la heparina es un glucosaminoglicano altamente sulfatado con una alta densidad de carga negativa, forma un complejo de antitrombina III que se une a la trombina para detener el evento trombótico. Por lo tanto, se realiza inmovilización de la heparina en la superficie del dispositivo mediante unión iónica fuerte o mediante un injerto químico a través de los grupos sulfato [28][29][30]. Otro elemento a tener en cuenta es que, a pesar de que los recubrimientos pasivos con heparina son necesarios, no evitan la estenosis. Por lo que el recubrimiento con fármacos para su posterior liberación sostenida y prolongada de sustancias anti proliferativas es clave. Además de estol, los materiales que estamos manejando en nuestro proyecto son biodegradables, biocompatibles y bioabsorbible. Se tiene en cuenta la velocidad de degradación y la naturaleza de los productos de degradación, los cuales no reaccionan con el fármaco liberado y con la acidez del medio local [28][29][30][35]. 4.3 Ideación y selección de concepto El proceso de toma de decisiones para producir el concepto se resume en el anexo 4. La opción final radica en utilizar los modelos impresos en materiales biocompatibles y funcionalizarlos con una solución anticoagulante de heparina. 4.3.1 Funcionalización de prototipos impresos en materiales biodegradables: • Utilizando el software Fusion 360 se modeló la geometría del filtro Cook y se imprimió en Neo TPU. • Se funcionaliza el filtro impreso con heparina. 4.3.2 Funcionalización del filtro original de acero inoxidable: • Se utiliza el filtro de acero y se somete a las mismas pruebas de adherencia de heparina. 4.4 Concepto final 4.4.1 Propuesta de plan de trabajo (Diagrama de Gantt): https://uniandes.sharepoint.com/:x:/r/sites/Section_20211041066/Documentos%20compartidos/Grupo%208/ Cronograma_Bio-Lives_Grupo8.xlsx?d=w9db7f53c0565423d8f232f39f4d44e8a&csf=1&web=1&e=lzu8Ii Gracias a que nuestro grupo es multidisciplinar, que nuestras fortalezas se basan en el trabajo en equipo y en el hacer y que, además, nuestros principales contactos son del campo de la medicina y de los biomateriales fue que decidimos implementar la solución. 4.4.2 Presupuesto de materiales y servicios: Tabla 6. Tabla de presupuesto con los avances actuales y el tiempo empleado para la realización del producto. Materiales Filtro de Vena Cava Valor en COP Cantidad Neo-TPU $ 4.373 6.23 gr PCL $ 4.373 3 gr Fármaco Heparina $ 4.373 0.5 gr Ácido acético $ 4.373 16 ml Impresión 3D $ 20.700 300 pesos por min / Duración 69 min Elementos de laboratorio $ 150.000 Aproximadamente Total por unidad $ 178.558 https://uniandes.sharepoint.com/:x:/r/sites/Section_20211041066/Documentos%20compartidos/Grupo%208/Cronograma_Bio-Lives_Grupo8.xlsx?d=w9db7f53c0565423d8f232f39f4d44e8a&csf=1&web=1&e=lzu8Ii https://uniandes.sharepoint.com/:x:/r/sites/Section_20211041066/Documentos%20compartidos/Grupo%208/Cronograma_Bio-Lives_Grupo8.xlsx?d=w9db7f53c0565423d8f232f39f4d44e8a&csf=1&web=1&e=lzu8Ii 15 4.5 Nombre del producto El nombre de la empresa propuesta es Bio-Lives y el de su respectivo producto es DES-CLOT. A continuación, presentamos los logos diseñados. 5 Producto minimo viable (MVP) Para la realización del producto mínimo viable se espera que el prototipo cumpla los siguientes requerimientos de diseño: • Un tamaño de extensión máxima del filtro no mayor a 52 mm, con un diámetro aproximado alrededor de 20 a 25 mm. • Uso de un material de impresión que sea biocompatible, farmacoactivo y biodegradable. • Implementación de una geometría flexible que permita la retención de coágulos sanguíneos superiores a los 5 mm, reducción de la migración del filtro y no obstruya el flujo sanguíneo. • Recubrimiento físico farmacoactivo con alta tasa de degradación de coágulos y con periodo de liberación controlado. • Lograr una degradación mínima del filtro durante un periodo seis semanas. 6 Prueba de concepto Teniendo en cuenta los requerimientos mínimos que debe tener el producto para que sea viable y las soluciones existentes en el mercado, se determina inicialmente una geometría adecuada para retener coágulos sanguíneos de tamaño superior a los 5 mm. Cabe resaltar que este producto se piensa insertar en los pacientes mediante cateterismo, por lo cual, el diámetro del filtro y del catéter debe ser del tipo 7 french. Posteriormente, el filtro debe estar compuesto porun material polimérico biocompatible capaz de mantener su forma por un periodo mayor a seis semanas, tiempo en el cual el prototipo debe conservar su estructura y funcionalidad a medida que se regeneran las paredes de la VCI. Ahora bien, para llevar a cabo la elaboración y validación del prototipo se implementaron diferentes modelos tridimensionales mediante el uso de los softwares Autodesk Fusion 360 y COMSOL Multiphysics (ver anexo 5). Se decidió modificar el prototipo inicial puesto que no cumplía con las dimensiones adecuadas para el enmallado computacional e impresión 3D. Adicionalmente, se simplifica el modelo removiendo la esfera superior y el anclaje a las paredes de la vena, ya que estos afectaban directamente la capacidad de inserción y el flujo sanguíneo. Figura 7. Prototipo simplificado del filtro de VCI realizado en Autodesk Fusion 360: (a) reconstrucción del modelo 3D y (b) dimensiones establecidas. A partir del modelo anterior, se realizan las primeras validaciones del producto mediante el software de COMSOL Multiphysics y pruebas mecánicas del filtro. 16 a) b) Figuras 8 y 9. Resultados cuantitativos de velocidad del modelo de COMSOL para (a) la parte inferior del filtro y (b) resultados cualitativos de presión. De acuerdo con los resultados de las simulaciones del modelo, se encontró un cambio mínimo de 0.0355 m/s aproximadamente de la velocidad desde la parte inferior a la sección superior del filtro, por lo que el filtro no impedirá significativamente el paso de la sangre o representará una obstrucción al paciente. Posteriormente, se utilizaron diferentes mecanismos para la elaboración del prototipo, tales como la impresión 3D, la manufactura artesanal, procesos de mecanización con nitinol y acero inoxidable, etc. Se resalta que el mecanismo de mayor éxito fue el de la impresión 3D, por lo que se decidió imprimir la geometría del producto con diferentes materiales poliméricos (PLA, Neo TPU, Resina y TPU), seguido a ello, se realizó la solución del recubrimiento farmacoactivo (PCL y Heparina) y se imprimió un molde en negativo (PVA) para desarrollar opcionalmente el filtro de forma manual. Figura 10. Línea temporal de las iteraciones para llegar a un prototipo final. Impresiones en PLA (a), resultado del prototipo desarrollado manualmente con solución de PCL y cloroformo (b), inyección del molde con una solución de PCL y ácido acético (c) y su respectivo resultado (d), filtro original e impresión en Neo- TPU con recubrimiento físico de PCL y heparina (e). Como resultado de las iteraciones se decidió utilizar el mecanismo de impresión 3D para desarrollar el filtro con geometría simplificada. Adicionalmente, se decide utilizar como material de impresión el Neo TPU pues a pesar de no ser biodegradable, posee una alta flexibilidad, es biocompatible y tiene una alta resistencia antimicrobiana, lo que cumple con los objetivos de durabilidad, no obstrucción y fácil inserción. 7 Solución 7.1 Especificaciones de la solución A continuación, se aprecia el modelo final de nuestro prototipo, cabe aclarar que este diseño fue llevado a cabo como consecuencia de las simulaciones descritas en la sección 7.4. No obstante, el modelo simplificado nos fue útil para llevar a cabo todas las impresiones en 3D. 17 Figura 11. Diseño final del prototipo del filtro de VCI realizado en Autodesk Fusion 360: (a) reconstrucción del modelo 3D y (b) dimensiones establecidas. Figura 12. Resultados cuantitativos de velocidad del modelo de COMSOL para (a) la parte superior del filtro y (b) la parte inferior del filtro. También se realizó un modelo en COMSOL con física de flujo laminar para conocer el perfil de velocidad y se encontró que el filtro en sí mismo no super un factor que empeore la trombogénesis al dejar que el flujo se normalice a través de él. Este modelo se basó en las ecuaciones de Navier-Strokes (ver anexo 6). Adicionalmente, disolvimos el PLA para realizar el filtro de manera manual con un grosor personalizado como se muestra en el anexo 7. 7.2 Aspectos Regulatorios El producto se clasifica como filtro intravascular cardiovascular de acuerdo con la FDA. Para una aplicación de 510K se poseen los siguientes criterios para un filtro ideal [34]: • No trombogénico. • Alta eficiencia de filtrado sin impedancia de flujo sanguíneo. • Fijación segura dentro de la vena cava. • Inserción percutánea segura y rápida. • Baja tasa de morbilidad asociada. • Compatibilidad con imágenes de resonancia magnética (MRI). Ahora bien, los requerimientos de prueba para el producto de acuerdo con la FDA son [34]: A. Biocompatibilidad: de acuerdo con el Estándar Internacional ISO-10993. Este tipo de filtros se definen como implantes permanentes, dispositivos de contacto con la sangre. B. Rendimiento del filtro: todas las pruebas se deben realizar sobre filtros fabricados por procesos de manufactura representativos. 1. Despliegue simulado: una evaluación de la habilidad del filtro para desplegarse de manera segura en la ubicación escogida bajo condiciones clínicas simuladas. 18 2. Idoneidad del introductor/funda: el objetivo es demostrar que la funda resistirá adecuadamente los dobleces cuando son usados en la vía más retorcida. 3. Habilidad para atrapar coágulos: se debe demostrar que el dispositivo puede capturar émbolos clínicamente significativos y, al mismo tiempo, permitir un flujo sanguíneo suficiente alrededor de los émbolos atrapados sin oclusión de la cava. 4. Fractura del filtro: el diseño del filtro debe resistir la fatiga, la corrosión y la soldadura después del ciclo respiratorio. 5. Migración del filtro/perforación caval: se debe demostrar que el filtro se fija por sí mismo dentro de la vena cava en el sitio de despliegue y sufre suficiente endotelización. 6. Trombogenicidad: la prueba debe demostrar que el efecto del dispositivo en el flujo sanguíneo no sería suficiente para causar estasis, lo que podría conducir a la formación de trombos dentro y alrededor del dispositivo. 7. Compatibilidad con MRI: se debe evaluar hasta qué punto el filtro es compatible con la resonancia magnética. 7.3 Estandares de Ingeniería Se realiza el siguiente esquema de análisis de modos de fallas y efecto (FMEA) y se determinaron las pruebas necesarias para aprobar el uso del dispositivo. Al realizar este esquema con la solución actual, se encuentra que la migración del filtro corresponde a uno de los factores más importantes a analizar. Adicionalmente, teniendo en cuenta que la solución propuesta difiere de la actual pues esta implica el uso de biopolímeros y por tanto requiere de pruebas adicionales a las que se representaron en el FMEA puesto que el diagrama se desarrolló con las propiedades de un filtro convencional. Figura 13. Esquema de análisis de modos de fallas y efecto [34]. La solución creada se encuentra en contacto con tejido vivo es necesario realizar pruebas de biocompatibilidad, además, al tener un recubrimiento físico que es farmacoactivo se deben realizar pruebas de hemolisis y de coagulación para verificar que el producto es capaz de degradar los coágulos sanguíneos a partir de la liberación de la heparina. Por otro lado, la prueba de aglutinación es necesaria para establecer si el dispositivo creado va a presentar agregación plaquetaria, por lo que se espera que el dispositivo presente una agregación plaquetaria muy baja. Adicionalmente, es importante realizar la prueba FTIR identificar que los componentes presentes en el producto sean los indicados y se deben llevar a cabo diferentes simulaciones con la máquina de dinámica cardiovascular de la universidad para visualizar la migración del dispositivo y si este es capaz de retener coágulos de tamaño superior a 5 mm. 7.4 Pruebas, Verificación deDiseño y Validación de Diseño Dado que nuestro objetivo es lograr emplear un biomaterial biocompatible, no citotóxico que permita la encapsulación de heparina se realizaron las siguientes pruebas para validar y probar nuestro modelo. En un primer momento se realizó una prueba de FTIR al material empleado, con el objetivo de identificar si presenta los grupos funcionales característicos que comprobaría que nuestro material cuenta con las propiedades óptimas para un filtro de vena cava, los cuales podemos observar en la gráfica que se muestra a continuación. 19 Figura 14. Resultados de la prueba FTIR. Como se observa en el FTIR, los resultados del material PCL presenta unos picos característicos de los grupos funcionales C=O en 110cm-1 y C-O-C en 1727cm-1 lo cual indica flexibilidad y maleabilidad del material [30]. Estas capacidades del material se requieren en la combinación final de nuestra solución. Este material cuenta con una gran cantidad de grupos amidas [32] pero en el caso de la experimentación se empleó una cantidad mínima lo que explica que solo sea posible observar un pico de amina y un bending de un grupo hidroxilo [32]. Con respecto a la inclusión de heparina se puede apreciar que se presenta un bending de un grupo hidroxilo en 3300cm-1 y uno característico de un grupo C=O en 1600cm-1, esto podría definir el comportamiento anticoagulante de este medicamento por lo tanto es necesario identificarlos en el material de solución [31]. Referente al Neo TPU, podemos detallar que este posee óxido de grafeno a diferencia del TPU, lo que se ve reflejado en los grupos funcionales señalados. Figura 15. Resultados de la prueba de agregación plaquetaria (a), hemólisis (b) y coagulación (c). Para el caso de las pruebas de agregación plaquetaria se verificó que los resultados dieran un valor mucho menor al control + dado que nos indicaría que el material de interés con el recubrimiento de heparina no genera una respuesta inmune. En el caso de la prueba de hemólisis se puede verificar que el material Neo TPU con el recubrimiento presenta un porcentaje alto comparado con los demás elementos menos con la heparina, comprobando de esa manera que nuestro material logra evitar el crecimiento de coágulos en su superficie. Además de estas pruebas, se realizó una prueba de degradación que permite comprender con qué porcentaje no se adhieren los eritrocitos al material, logrando resultados exitosos al tener un valor porcentual alto del material Neo TPU ya que eso indica que no se formaran coágulos sobre la superficie del filtro. 20 Figuras 16 y 17. Resultados de las simulaciones cardiovasculares del filtro de Neo-TPU en ausencia y presencia de coágulos sanguíneos. Para llevar a cabo las simulaciones con y sin coágulos, fue necesario realizar un montaje previo de la máquina de dinámica cardiovascular como se puede apreciar el anexo 8. De acuerdo con los resultados, es importante identificar que el filtro cumple con los supuestos del modelo de tal forma que genera resistencia al flujo sanguíneo y es capaz de retener eficientemente el paso de coágulos superiores a 5 mm que van directo al corazón. Como se aprecia en las figuras 16 y 17, teniendo un flujo sanguíneo de 70 ml por latido, se obtiene una variación notable de la presión y el flujo de la persona, cuando hay ausencia de coágulos atrapados la presión se encuentra dentro de sus rangos normales 120-80 mmHg mientras que en presencia de coágulos retenidos la presión aumenta a 140-100 mmHg y por consiguiente también se aumenta un poco el flujo sanguíneo. 8 Implementación y estrategia de desarrollo 8.1 Estrategia de Propiedad Intelectual (IP) Para la estrategia de Propiedad Intelectual (IP) idealmente se estableció los derechos de una patente. Pues nuestra solución va ligada a las empresas de tecnología en virtud de la protección de la creación del producto construido. Hay que tener en cuenta, que los filtros de vena cava predominantes son desarrollados en USA e importados hacía Colombia para su utilización en la población. Es por ello por lo que para el proyecto es importante que el desarrollo de un filtro con las características obtenidas sea reconocido desde el mercado colombiano. Entonces, el desarrollo de una patente protegería la invención de nuestro dispositivo. 8.2 Investigación y estrategia de desarrollo En la investigación y estrategia de desarrollo tendremos en cuenta dos aspectos realmente importantes en tanto en el desarrollo como en la implementación de un filtro de vena cava inferior. Estos factores son la biocompatibilidad y el rendimiento como tal del filtro. Es importante que el dispositivo no genere mayor respuesta inmune al individuo que se le implanta, por eso deber ser fundamental realizar las pruebas de biocompatibilidad exigidas por la ley que permitan evidenciar el potencial daño que puede o no generar el dispositivo. Al ser algo implantable no es negociable que no pase ninguna de las pruebas, por lo que es ideal optar procesos de manufactura que lleguen a un dispositivo completamente estéril y biocompatible al momento de su uso. Ahora bien, el rendimiento como tal del filtro es vital abordarlo cuando se busca la autorización previa a la comercialización del filtro. Es vital realizar pruebas que logren entonces simular la capacidad que tiene el filtro para que se sitúe de manera a confiable en la ubicación elegida. Igualmente, se tiene que velar por cumplir con la capacidad de atrapar coágulos, la no fractura del filtro, evitar la perforación de la vena o la potencial trombogenicidad del dispositivo. 8.3 Estrategia Clínica 21 Para poder realizar pruebas, estudios preclínicos y clínicos se comenzaría a realizar alianzas con hospitales especialmente de grado 3. Con ello, se podría entonces organizar las investigaciones clínicas necesarias para evaluar como tal las tasas de complicaciones del filtro en investigación. Lo ideal sería comenzar una población pequeña de personas a las que se les implantaría el filtro, analizando de manera constante el progreso que tiene la persona frente a la enfermedad que padece trombosis venosa profunda (TVP). 8.4 Estrategia regulatoria Para la estrategia regulatoria ante del INVIMA se define que el proceso a seguir se fundamenta en el Decreto número 4725 de 2005 del INVIMA. El cual tiene la función de regular el régimen de registros sanitarios, permiso de comercialización y vigilancia sanitaria de los dispositivos médicos para uso humano [36]. De acuerdo con este, el dispositivo construido se catalogaría como un dispositivo médico invasivo de tipo quirúrgico, el cual debe seguir con una serie de estudios técnicos para la verificación de sus condiciones de calidad. También, es importante tener en cuenta que la solución propuesta corresponde a la clase III de la clasificación de los dispositivos médicos, por lo que es riguroso llevar a cabo un registro sanitario ante el INVIMA. El proceso constaría de seguir pruebas de aprobación que sería inicialmente realizar las caracterizaciones in vitro del dispositivo, evaluando así la posible citotoxicidad, respuesta inflamatoria y demás factores que ayuden a determinar la posible respuesta en un individuo. Luego, se debería realizar pruebas mediante modelos animales pequeños, siguiendo con los lineamientos éticos de las prácticas médicas. Igualmente, deberían realizarse entonces pruebas con animales grande para finalmente realizar estudios clínicos a la población objetivo. La solución entonces debería pasar todos estos tipos de pruebas, así como pruebas intrínsecas de diseño, resistencia y biocompatibilidad, con el fin de poder entonces llegar a una aprobación y un registro sanitario. 8.5 Manejo de calidad El manejo de calidad se divide en dos apartados. El primero hace referencia al diseño de prototipos con sus respectivas pruebas físicas en el laboratorioo en animales. Para esta validación primero se realiza se realiza la simulación computacional de los prototipos en los Softwares COMSOL y ANSYS. Se realizan las pruebas de caracterización biológicas y fisicoquímicas para ver el comportamiento de los grupos funciones en exposición con compuestos orgánicos como la sangre, células inmunes y otros tejidos. Esto se acompaña de las pruebas anteriormente mencionadas (hemo compatibilidad, biodegradabilidad, toxicidad, resistencia bacteriana, hemolisis, agregación plaquetaria). Se deben realizar pruebas de testeo físico con un simulador vascular. En este paso es importante evaluar la manera de introducir el dispositivo en el organismo, generalmente se utilizan catéteres unidos a los filtros por un gancho. La máquina de simulación vascular es de suma importancia para probar las características hemodinámicas y fisiológicas del organismo. Cada modelo es importante probarlo para saber que desempeño tiene cuando el flujo sanguíneo a un volumen y presión estándar son aplicados. Se contrastan las pruebas de simulación computacional con los resultados físicos comparando los parámetros de mecánica de fluidos aplicados a la fisiología vascular. Entonces, la iteración de este procedimiento en el laboratorio da un primer acercamiento del comportamiento del dispositivo en un futuro. Adicionalmente, una vez que los prototipos son probados en el simulador, se puede utilizar una porción de vena que pueda acoplarse al montaje del simulador vascular para simular una cirugía de introducción o extracción de filtro de vena cava inferior apoyado por el procedimiento de cateterismo. Posteriormente, se procede al estudio y pruebas en animales y humanos. Después, una vez que el dispositivo circula en el mercado, la garantía y el control del dispositivo es regulado a través de las instituciones de salud públicas o privadas en conjunto con el ministerio de salud, el INVIMA, y los comités de ético y científico de los hospitales donde se instalen los filtros. 8.6 Estrategia de reembolso Establecemos una estrategia efectiva de reembolso determinando como su solución podría encajar en el sistema, la cobertura y los paradigmas de pago existentes. Inicialmente, es indispensable trabajar en torno a la investigación clínica, diseño y desarrollo de estudios médicos que evidencien beneficios en los pacientes por 22 medio del uso de este tipo de filtros de VCI. De esta manera, aseguramos un valor agregado correspondiente a la cobertura médica de los pacientes. Posteriormente, identificamos potenciales ideas para desarrollar nuevas tecnologías como equipos médicos, fármacos, procedimientos, entre otros servicios. Un tercer punto corresponde al trabajo con organismos y entes regulatorios de salud y comercio en Colombia, como por ejemplo el INVIMA, para realizar las actualizaciones pertinentes para el desarrollo de nuestros dispositivos cardiovasculares. Finalmente, se espera presentar datos de ensayos clínicos a los centros de salud del estado, instituciones privadas interesadas y organismos regulatorios para que los reembolsos sean aprobados [36]. Ahora bien, nuestra estrategia de reembolso consiste en el producto, DES-CLOT, el cual cuenta con una tecnología de larga duración accesible para los pacientes con enfermedades cardiovasculares. Consecuentemente, para el desarrollo del producto se requiere en un primer momento de empresas interesadas y patrocinadores que inviertan en nosotros en materiales y máquinas de impresión para la elaboración de los filtros. A la par, es importante desarrollar acercamientos y alianzas importantes con empresas distinguidas en este campo para mejorar los porcentajes de reembolso de los pacientes y de la empresa. Posteriormente, nos acercaremos a entidades aliadas de la Universidad tales como la fundación Santafé y la fundación Cardio Infantil de la ciudad de Bogotá, por medio de las cuales evaluaremos el uso de nuestros dispositivos junto con el comité de ética, los hospitales, los profesores y doctores responsables del proyecto. Cabe resaltar que se requiere un tiempo de desarrollo de al menos 5 años para lograr emplearlo en seres humanos, para lo cual es necesario realizar pruebas de uso clínico en animales previamente y cumplir con los pertinentes requerimientos de los diferentes hospitales e instituciones de salud, para ampliar nuestro porcentaje de reembolso y mejorar la viabilidad de la empresa [37]. 8.7 Modelo de negocios – CANVAS Se realizó un modelo de negocios tipo CANVAS en el cual se explica en detalle los socios, actividades y recursos clave, la propuesta de valor, la segmentación y relación con los clientes, entre otros aspectos. Este modelo de negocios se puede encontrar en el anexo 9. 8.8 Marketing, stakeholders, ventas y estrategia de distribución Se realizó un análisis de mercado para definir así la estrategia de marketing, el grupo de interés, las ventas y la distribución de nuestro producto. Se encontró que el mercado del filtro de vena cava ha tenido un gran crecimiento desde su invención, ya que significo un dispositivo menos invasivo el cual se aceptó y se adoptó con bastante rapidez para personas que sufrían embolia pulmonar. Para el año 2010, el mercado de filtros de vena cava inferior estaba valorado en $190 millones de dólares en Estados Unidos y estaba creciendo a una tasa de crecimiento anual compuesta del 11% [37]. Ahora bien, en un estudio posterior del año 2020, se estimó que dado el impacto del COVID-19 en el mercado de este dispositivo, la tasa de crecimiento anual compuesto paso a ser del 9.1% durante el período del pronóstico realizado que fue del 2018 – 2026 [38]. Teniendo esto, en mente se esperará que para el año 2026 el mercado de filtros de VCI llegaría a un estimado de $799 millones de dólares en Norteamérica, influenciado por la creciente prevalencia de enfermedades cardíacas y la creciente demanda de técnicas mínimamente invasivas. Dentro de dicho análisis se tomaron en cuenta los stakeholders descritos en el anexo 10. Posteriormente, delimitamos la población de interés acorde con el índice de prevalencia de embolia pulmonar en Colombia, el cual es de 69 personas por cada 100.000 habitantes. Por lo tanto, teniendo en cuenta la población total colombiana actual estimamos que alrededor de 35.107 personas sufren de embolia pulmonar. Sin embargo, se determinó que cerca del 6% de las personas diagnosticadas requerían del implante de este filtro. Adicionalmente, se definió entonces una población objetivo donde los pacientes finales serían aquellos entre los 30 y 70 años, y establecimos que nuestros clientes potenciales son los hospitales, especialmente pertenecientes al nivel 4 en Colombia, instituciones quienes tendrían el contacto directo nuestra población objetivo. En toda Colombia, hay un estimado de unos 9500 o menos hospitales de nivel 4 [39], por lo que espera tener alianzas con este tipo de instituciones al tener los equipos necesarios y de más alta tecnología para realizar las cirugías de implantación de filtro de VCI. 23 Por otro lado, se estableció un modelo de negocios como se puede apreciar en el anexo 11. En un primer momento, el modelo entabla relaciones con proveedores como Polytech y Ultimaker para que nos brinden materias primas e impresoras 3D necesarias para la fabricación de nuestro producto. Luego, nuestra empresa se encarga de realizar la manufactura del dispositivo, se realizan diferentes estudios de mercado y se planea una distribución ordenada de los productos. Establecemos contactos con nuestros consumidores finales, los pacientes, por medio de la interacción con hospitales de cuarto nivel que serán nuestros aliados. Adicionalmente, para la exportación de nuestro producto al extranjero y entra final al cliente, contaremos con la ayuda de empresas especializadas como Veniti, Johnson & Johnson, Cordis, entre otros,que se especializan en el desarrollo de tratamientos para enfermedades cardiovasculares y venosas. 8.9 Estrategia de negocios y ventajas competitivas Las ventajas competitivas que presentamos en contraste con las soluciones existentes radican en la disminución del costo del dispositivo, mejoras en la experiencia de tratamiento de los pacientes y utilización de un recubrimiento físico con fármacos anticoagulantes. La solución incorpora un material bioactivo que permite la degradación de los coágulos sanguíneos del paciente por un cierto periodo de tiempo, generando menos residuos contaminantes y promulgación de un ideal amigable con el medio ambiente [38], [39]. Ahora bien, con respecto a nuestra estrategia comercial, buscamos iniciar el proceso de ventas y mercadeo del filtro por medio de los hospitales de tercer y cuarto nivel de la ciudad de Bogotá, especialmente en hospitales enfocados en enfermedades cardiovasculares. Se espera establecer una comunicación directa con empresas biomédicas encargadas de ventas de equipos y artículos biomédicos con el fin de mostrar nuestro producto y compararlo contra los filtros de vena cava tradicionales, de esta forma se puede evidenciar la diferencia de precio y propuesta de valor realizada. Adicionalmente, se busca exponer el producto en congresos y seminarios presenciales y virtuales para analizar, junto con los expertos, mejoras del tratamiento actual y el propuesto. Por otro lado, se busca para hacer publicidad de nuestro producto con los potenciales clientes que son hospitales y empresas biomédicas [38], [39]. 8.10 Plan operativo y modelo financiero Se establece un plan operativo enfocado en el desarrollo y manufacturación de nuestro dispositivo con una proyección a cinco años. Este plan se erradica teniendo presente como supuestos: una población objetivo del 6% de pacientes en Colombia que sufren anualmente de tromboembolismo pulmonar y requieren de una intervención quirúrgica con urgencia, un crecimiento poblacional promedio de en Colombia del 0.8%, un market share esperado para el año 2026 del 65% [42], el precio promedio por producto de 4 millones de pesos colombianos (COP) junto con un crecimiento anual del precio promedio del dispositivo de 9.42 % [42][43]. Teniendo en cuenta esto, se realizan proyecciones con respecto a las ventas y los costos de desarrollo y manufacturación del producto entre el 2021 al 2026. Estas proyecciones se pueden observar en los anexos 12, 13 y 14, donde se describe con claridad la cantidad de pacientes que requieren el producto, el total de unidades vendidas y producidas, y los gastos que la empresa tiene con respecto a la compra de materiales, alquiler de las instalaciones, servicios y pagos de nómina del personal. Cabe resaltar que un factor muy importante para el éxito en ventas radica en que el producto resulta ser un poco más económico y por sus propiedades fisicoquímicas le confiere un valor agregado al paciente pues este se encuentra diseñado para ser biocompatible, generando la mínima respuesta inmune en el sistema, además de que no se requiere llevar a cabo una segunda intervención quirúrgica. Por un lado, se identificó que el costo de producción y fabricación por unidad del filtro es de aproximadamente 178.558 COP pues se tienen en cuenta las diferentes cantidades de material que se utilizan y el tiempo de uso de la maquinaria de impresión y la cabina de extracción. Lo anterior se puede apreciar en detalle en la sección 4.4.2. Por otro lado, es importante resaltar que los gastos operacionales de la empresa van aumentando notablemente cada año, especialmente debido a la actualización de las instalaciones, pagos al personal altamentemente capacitado, materia prima, congresos, ferias, campañas y diferentes materiales publicitarios, por lo cual se plantea realizar convenios y contacto previo con proveedores y potenciales patrocinadores para cubrir una parte de nuestros gastos con una inversión inicial de 200 millones de COP. Adicionalmente, es importante resaltar que la empresa debe cumplir con los respectivos procesos de legalización de patentes y 24 regulaciones impuestas por el INVIMA, y para ello es necesario realizar múltiples ensayos médicos y pruebas clínicas tanto en animales como en seres humanos durante los primeros tres años de producción. Consecuentemente, el modelo financiero realizado refiere que hay un retorno de la inversión inicial en el cuarto año de desarrollo, pues la empresa es genera rentabilidad (positiva) y es capaz de suplir dicha inversión con los ingresos generados. Esto lo podemos observar en los anexos 15, 16 y 17, correspondientes al flujo de caja final con inversión, la utilidad neta y el margen bruto y neto del modelo propuesto. Adicionalmente, mediante los márgenes obtenidos y la utilidad neta se puede determinó que después del segundo año de ventas y producción, se logran generar activos suficientes para cubrir el costo de los gastos de operación de la empresa. 8.11 Estrategia de comunicación Una vez identificada la necesidad y los problemas en el diseño del filtro se estable la necesidad de encontrar una geometría de mejor retracción junto con un protocolo de recubrimiento químico de mayor efectividad y durabilidad. Esto optimizara el prototipo y mejorara las condiciones fisiológicas de adaptabilidad y soporte. Con un precio aproximado de 4 millones de pesos se atenderá la población en Colombia que necesite del dispositivo. Para la comercialización se utilizará la página web, redes sociales, medios universitarios y científicos, hospitales y experiencias de pacientes con inserción de filtros de VCI. 8.12 Equipo de trabajo Nuestro equipo de estudiantes de pregrado en ingeniería biomédica está conformado por 6 estudiantes. El grupo es multidisciplinario y lo caracteriza el trabajo en equipo, la consagración y la ejecución de ideas. Cada uno de los integrantes tiene diferentes habilidades que nutren y complementan el funcionamiento del equipo. Uno de los integrantes maneja programas de diseño e impresión como ANSYS y Fusion 360. Otro de los integrantes hace doble programa con microbiología y conoce los procedimientos para las pruebas biológicas y químicas. Otro integrante tiene una opción en administración de empresas y comprende el manejo financiero de nuestro modelo. Otro integrante hace doble programa con ingeniería electrónica y es representante estudiantil, tiene aptitudes de liderazgo, trabajo en equipo y propone las soluciones de diseño del dispositivo. Otro integrante es muy hábil en las diferentes áreas de trabajo y tiene una gran capacidad para programar. Otro integrante hace doble titulación con medicina y tiene conocimientos en fisiología humana. Adicionalmente, contamos con la experticia del técnico de laboratorio del departamento con la habilidad para la impresión 3D, tres estudiantes de doctorado en ingeniería con habilidad para el trabajo en el diseño de dispositivos médicos aplicados a la dinámica cardiovascular, y un estudiante de último semestre de medicina con énfasis en el desarrollo de dispositivos médicos y experiencia en el diseño de dispositivos médicos cardiovasculares. 9 Impactos y consideraciones El desarrollo de nuestro dispositivo requiere de varias etapas como lo mencionamos en las estrategias regulatoria y clínica. A nivel económico nuestro filtro puede elaborarse a partir de la impresión 3D y el uso de laboratorios de investigación. Se encontró que el producto, al basarse en una geometría similar a la de los filtros convencionales de ninitol, no presenta variaciones en el flujo notables en contraste con los modelos existentes por lo que DES-CLOT podría llegar a ser implantado en los pacientes con TVP. Cabe resaltar que nuestro filtro resulta ser mucho más económico que los de nitinol, y se le da un valor agregado de que es capaz de degradar los coágulos sanguíneos que son retenidospor el filtro, generando una respuesta inmune mínima. En adición a ello se encontraron resultados de presión y volumen que responden positivamente a la fisiología vascular de una persona estándar en presencia del filtro con y sin coágulos. Esto se debe en gran parte a la geometría del filtro y los componentes, pues el filtro tiene como material base el Neo-TPU y presenta un recubrimiento fisicoquímico por absorción de heparina y PCL. Actualmente, los filtros del mercado no tienen este recubrimiento con un periodo de liberación mayor a los 3 meses. Por lo tanto, nuestro producto está aventajado y sus materiales cumplen con las normas ISO para en un futuro hacer estudios clínicos en animales, respetando los códigos de ética de las instituciones aliadas y preservando la salud de los seres vivos aplicantes del estudio. No obstante, se considera necesario probar un diseño experimental más riguroso en otros trabajos de 25 investigación sobre este tema que evidencie riesgos específicos en la implantación de este dispositivo. Y, una vez el dispositivo posea el aval ético y tecnológico para venderse en el mercado, es coherente trabajar de la mano de la fundación Santafé, la universidad y las empresas vinculadas en los clientes potenciales y seguros. 10 Discusión y conclusiones En cuanto a los resultados obtenidos para el dispositivo y el modelo final, encontramos las siguientes limitaciones: • El filtro es biocompatible, pero no se cuenta con la información certera de las tasas de biodegradabilidad del Neo-TPU y liberación controlada del fármaco recubierto en el filtro pasados algunos meses de uso. • No fue posible elaborar un modelo que tuviera un efecto de retracción igual al modelo de filtro Cook debido al tipo de memoria de forma del material, a pesar de que los módulos mecánicos, tensión, flexibilidad, compresión y elongación se adaptaban al comportamiento del modelo del filtro Cook. • La geometría del filtro junto con el recubrimiento de heparina permite degradar los trombos generados por la enfermedad, pero no se sabe con exactitud el periodo de liberación del fármaco. • Debido al tamaño del filtro las impresiones requerían de un material de soporte y uso de una geometría sencilla, por lo cual se utilizó un modelo de filtro simplificado sin opción de colocar una malla adicional a la estructura, como se tenia pensado inicialmente. • Se encontraron falencias al momento de realizar la simulación cardiovascular pues la geometría del filtro permitía retener los coágulos, pero la distribución de los esfuerzos no era equitativa en cada una de las extremidades inferiores del filtro, lo que hacia que no permanecieran abiertas dichas extremidades. No obstante, se encontraron múltiples resultados positivos dentro de los cuales resaltamos el uso del Neo-TPU, ya que este cumple con las características de biocompatibilidad, resistencia bacteriana, resistencia térmica, resistencia a la esterilización y características fisicoquímicas adaptables a la exposición con el endotelio de la vena cava. Adicionalmente, las pruebas de hemolisis, agregación plaquetaria y degradación mostraron que trabajar dicho material es una buena opción dado es capaz de retener físicamente los coágulos, siendo posible agregarle un recubrimiento farmacoactivo con capacidad de disolverlos y evitar una embolia pulmonar. Por otro lado, el material es lo suficientemente flexible para que el filtro logre comprimirse e insertarse via cateterismo en los pacientes sin ninguna complicación. Ahora bien, de acuerdo con los comentarios recibidos por nuestros asesores se plantea como trabajo a futuro mejorar el mecanismo de retracción y extensión de los filtros que utilizan como base principal materiales biopolímericos con memoria de forma. Adicionalmente, buscaremos establecer mejoras para que el filtro no migre al momento de realizar las simulaciones con la máquina de dinámica cardiovascular. Por otro lado, buscaremos realizar otro tipo de mecanismo para funcionalizar el filtro con la heparina, esta vez controlando y prolongando el tiempo de liberación (mayor a tres meses) y encapsulamiento de la heparina y también del sirolimus. Para ello, se debe hidrolizar la estructura y pegar los fármacos mediante el uso de una molécula llamada APTE y glutaraldehído. 11 Agradecimientos Queremos mandar un mensaje de agradecimiento especial a nuestros mentores Juan Carlos Briceño, el doctor Jorge Ulloa, Johan Osma, por sus aportes pertinentes para la ideación del proyecto. A nuestros asesores, Natalia Suarez, María Alejandra Rodríguez y Andrés Brandt por su constante apoyo durante la etapa experimental y de desarrollo en el laboratorio. De igual forma, agradecer a nuestro excelente técnico de laboratorio Holmer Pinto por su paciencia y constante colaboración en momentos estresantes que pasamos con las múltiples impresiones realizadas. Y, finalmente, agradecer a nuestros consultores externos, Oscar Moreno y Yusef Muñoz por sus comentarios y apoyo brindado a lo largo del proyecto. 26 12 Referencias Bibliográficas [1] Revista Cubana de Angiología y Cirugía Vascular, 19 (2), 2018. Disponible en: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1682-00372018000200008&lng=es&nrm=iso [2] J. Dowell, S. Shah, K. Cooper, V. Yıldız y X. Pan, "Análisis de costo-beneficio de establecer una clínica de filtro de vena cava inferior", Ncbi.nlm.nih.gov, 2017. [En línea]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5214074/pdf/dir-23-1-37.pdf. 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