Durchbruch weiche Robotik könnte die künstliche Herztechnologie neu definieren

Ein bahnbrechendes weiches Roboterherz könnte die Behandlung für Herzinsuffizienz im Endstadium verändern und uns näher als je zuvor zu voll funktionsfähigen, biokompatiblen künstlichen Organen bringen.

Studie: Ein weiches künstliches künstliches hybrides Herz. Bildnachweis: Africa Studio/Shutterstock.com

Die Forscher entwickelten ein totales künstliches hybrides Herz von weichen Robotik, das neue Horizonte in Bezug auf Herzinsuffizienz und Transplantationsmedizin eröffnen kann. Der Artikel, der den ersten Proof-of-Concept dieser neuartigen Entdeckung enthält, wird im Journal veröffentlicht Naturkommunikation.

Hintergrund

Herzinsuffizienz im Endstadium ist mit einer hohen Sterblichkeitsrate verbunden. Die Erkrankung ist durch Herztransplantation behandelbar; Die Nichtverfügbarkeit von Spenderherzen ist jedoch der Hauptnachteil. Diese Einschränkung hat zur Entwicklung totaler künstlicher Herzen und linksventrikulärer Assistenzgeräte geführt.

Diese künstlichen Geräte weisen eine schlechte Biokompatibilität auf, da die zur Entwurf verwendeten Materialien nicht aus dem Körper des Patienten abgeleitet werden. Darüber hinaus arbeiten diese Geräte nicht physisch, um Blut im gesamten Körper zu zirkulieren. Diese Faktoren können Blutgerinnselbildung induzieren, was anschließend zu Komplikationen im Zusammenhang mit dem Blutfluss führen kann.

Perkutane Antriebsmittel, die für die Stromversorgung und das Verbinden von derzeit verfügbaren Herzgeräten mit einer externen Quelle erforderlich sind, weisen ein hohes Infektionsrisiko auf und beeinflussen die Lebensqualität eines Patienten erheblich. Diese Komplikationen beschränken den klinischen Einsatz derzeit der derzeit verfügbaren Gesamtkünstlern.

In der aktuellen Studie entwickelten Forscher ein hybrides Gesamtkünstlern, bei dem die Pumpenleistung aus weicher Robotik stammt, um das Blut physiologisch voranzutreiben. Sie nannten das Gerät „Hybrid Herz“.

Hybridherz – Design- und Arbeitsprinzip

Die Forscher entwarfen diese neue Generation von Gesamtkünstlern mit der Idee, dass das Gerät die Struktur und Funktion des menschlichen Herzens nachahmen sollte. Das menschliche Herz hat zwei Kammern, die linken und rechten Ventrikel, die durch ein Septum (eine Trennwand) getrennt sind. Die synchrone Kontraktion der Ventrikel und des Septums führt dazu, dass Blut aus den in Kreislauf versehenen Ventrikeln ausgestoßen wird.

Wie das menschliche Herz enthält das hybride Herz zwei künstliche Kammern, die durch einen weichen pneumatischen Muskel (Septum) getrennt sind. Die Ventrikel und das Septum bestehen aus mit thermoplastischem Polyurethan beschichtetem Nylon. Bemerkenswerterweise enthält das Design auch mehrere nicht -detaillierbare Drähte, die in einer geschlossenen Schleife angeordnet sind und eine Schlüsselrolle bei der Nachahmung der koordinierten Kontraktionen des Herzens spielen, indem Kräfte über beide Ventrikel verteilt werden.

Supramolekulare Beschichtungen werden auf das thermoplastische Polyurethan-beschichtete Nylonmaterial angewendet, um die Biokompatibilität zu verbessern.

Ein positiver oder negativer Luftdruck wird verwendet, um das Septum aufzublasen und zu entleeren. Wenn sich das Septum während der Systole aufblbt, nimmt sein Innendurchmesser zu, sodass mehr Draht um ihn eingewickelt werden kann. Dies drückt die Ventrikel, um Blut wie ein natürliches Herz auszuwerfen. Wenn sich das Septum während der Diastole entleert, füllen die Ventrikel passiv nach.

Die spezifische Länge und Anzahl der Drähte um jeden Ventrikel kann angepasst werden, um den Herzausgang jeder Kammer zu verändern, wodurch die Anforderungen an die Anforderungen verschiedener physiologischer Bedingungen oder Krankheiten angepasst werden können. Diese Einstellbarkeit könnte wichtig sein, um das Gerät mit individuellen Patientenanforderungen anzupassen, beispielsweise bei Lungenhypertonie.

In frühen Versuchen zeigte das System mit weichem Roboterbotsverfahren die Fähigkeit, Druckkurven zu erzeugen, die denen in natürlichen Herzschlägen ähneln, und verleiht dem Gerät einen lebensloseren Pump -Rhythmus.

Ein Mechanismus zur Betätigung von Robotern liefert das erforderliche Druckprofil für das Septum des hybriden Herzens. Der Betätigungsmechanismus übersetzt Kontrollsignale in physikalische Aktionen innerhalb eines Systems. Dieser Mechanismus für weiche Roboterbekämpfung hängt nicht von der Elektronik ab, um einen Herzschlag zu erzeugen. Stattdessen verwandelt es den konstanten Fluss einer kontinuierlichen Luftpumpe autonom und passiv in Druckimpulse, die den Herzschlag für das hybride Herz erzeugen.

Das Gesamtsystem enthält jedoch auch elektronische Komponenten für Strom und Kontrolle, insbesondere in zukünftigen vollständig implantierbaren Versionen.

Funktionale Validierung

Die Laboruntersuchungen des hybriden Herzens unter physiologischen Bedingungen ergab, dass das Gerät die Pumpenphysiologie des menschlichen Herzens nachahmt und sein linker Ventrikel 5,7 Liter Blut pro Minute (Herzzeitvolumen) mit einer Herzfrequenz von 60 Schlägen pro Minute pumpen kann. Da der Herzzeitvolumen des linken Ventrikels höher als der rechte Ventrikel sein sollte, wurde der Herzzeitvolumen des rechten Ventrikels des Geräts auf 5 Liter pro Minute eingestellt, indem die Länge der Drähte um den rechten Ventrikel eingestellt wurde.

Das hybride Herz wurde bei Tieren weiter getestet, indem das Gerät chirurgisch im Perikardraum implantiert wurde. Das Gerät war während eines Testzeitraums von 50 Minuten für den gesamten Tierblutfluss verantwortlich.

Der Tiertest war ein kurzfristiges Experiment, kein Langzeitimplantat, das einen ersten Proof-of-Concept für die Funktion des Geräts lieferte In vivo.

Im akuten Tiertest war der Herzzeitvolumen jedoch niedriger als in vitro (Etwa 2,3 Liter pro Minute bei 65 bpm), was die frühe Stufe des Geräts, den Proof-of-Concept-Natur und die erwarteten technischen Einschränkungen widerspiegelt.

Die Ergebnisse zeigten, dass das im hybriden Herz verwendete thermoplastische Polyurethan-beschichtete Nylonmaterial nicht toxisch ist, eine verbesserte Biokompatibilität aufweist und aufgrund ihrer supramolekularen Beschichtungen eine starke anti-thrombogene Eigenschaften besitzt.

Tier und in vitro Die Tests zeigten eine signifikante Verringerung der Thrombozytenadhäsion und Thrombose im Vergleich zu unbeschichteten Materialien, was das Potenzial für eine langfristige Blutverträglichkeit unterstützt.

In Labor- und Tierversuche wurde ein offenes pneumatisches System zur Betätigung der hybriden Herzen verwendet. Ein vollständig implantierbares, geschlossenes fluidisches Fahrsystem wurde jedoch für zukünftige klinische Verwendung entwickelt. Dieses System bestand aus einer implantierten Luftpumpe mit kontinuierlichem Fluss, einem Luftbehälter und einem mit dem Septum in einer geschlossenen Zirkulationsschleife verbundenen Softroboter-Betätigungssystem.

Das geschlossene fluidische System wurde in ein transkutanes Energieübertragungssystem (TET) integriert, um der Pumpe drahtlos elektrische Energie bereitzustellen. Die externe Tet -Spule, die auf die Haut des Patienten gelegt wurde, übertraf die Kraft in die subkutan implantierte innere Tet -Spule, während die Haut intakt blieb.

Dieser Ansatz kann möglicherweise das Infektionsrisiko verringern und die Lebensqualität der Patienten verbessern, indem sie es ihnen ermöglichen, sich vorübergehend von einer Stromquelle zu lösen und Aktivitäten wie das Duschen oder Schwimmen zu betreiben.

Die Prüfung dieses geschlossenen fluidischen Systems ergab, dass das hybride Herz bei der Stromversorgung der kontinuierlichen Strömungspumpe automatisch mit einer Herzfrequenz von 35 bpm zu schlagen begann und im Vergleich zu dem, das vom herkömmlichen Fahrsystem erzeugt wurde, einen relativ niedrigen Herzzeitvolumen erzeugte.

Diese Einschränkung wurde in den ersten Experimenten auf die verfügbare Leistung des TET -Systems zurückgeführt, was keine grundlegende Barriere für die Technologie war. In der Untersuchung wurde festgestellt, dass die Erhöhung der Input -Energie das Herzproduktion verbessern sollte, und die Forscher arbeiten derzeit daran.

Darüber hinaus zeigte das hybride Herz adaptive physiologische Eigenschaften. Vorlast und Nachlastempfindlichkeit bedeutet, dass das hybride Herz seinen Ausgang als Reaktion auf den Blutdruck und die Volumina wie ein natürliches Herz einstellen kann. Dies wird passiv erreicht und den Frank-Starling-Mechanismus nachahmt, wobei das Herz die Produktion als Reaktion auf eine erhöhte Füllung erhöht, ohne komplexe Sensoren oder Elektronik zu benötigen.

Das Design ermöglicht auch die individuelle Konfiguration des Geräts, z. B. die Änderung der Drahtlänge und -position, die auf den individuellen Patientenanforderungen zugeschnitten sind.

Während der Proof-of-Concept vielversprechend ist, steckt die Arbeit noch in den Kinderschuhen. Das Gerät wurde eher auf Prototyping-Materialien als auf Komponenten von medizinischen Qualität aufgebaut, und weitere langfristige Tierstudien werden erforderlich, um die Sicherheit, Haltbarkeit und Leistung der Technologie vollständig zu validieren.

Vor einer klinischen Anwendung benötigen alle Schlüsselkomponenten, einschließlich der vollständig implantierbaren Version und der Tissue Engineering Coatings, umfangreiche weitere Tests, einschließlich langfristiger Tierstudien.

Bedeutung

Die Studie liefert den ersten Hinweis darauf, dass weiche Robotertechniken erfolgreich ein biokompatible künstliches künstliches Herz entwickeln können, das unter physiologischen Bedingungen ein angemessenes Herzzeitvolumen liefern kann.

Das in der Studie entwickelte hybride Herz kann die Mängel der derzeit verfügbaren, totalen künstlichen Herzen überwinden und möglicherweise beide anti-thrombogene Oberflächen und Unterstützung für die Gewebeintegration bieten.

In Zukunft könnte die Beschichtungstechnologie beispielsweise weiterentwickelt werden, indem Moleküle einbezogen werden, die die Zellen des Körpers aktiv ermutigen, das Gerät zu kolonisieren und eine funktionelle innere Auskleidung zu bilden. Dieser doppelte Ansatz zur Reduzierung der Blutgerinnung und zur Unterstützung der Gewebeintegration des Körpers könnte die Notwendigkeit einer lebenslangen Antikoagulationstherapie verringern.

Obwohl das hybride Herz noch nicht für den klinischen Einsatz bereit ist und weitere gründliche Tests und Optimierung erfordert, zeigt es, wie weiche Robotik und biomimetische Engineering sicherer, funktionaler und anpassungsfähigerer künstlicher Herzen für die Herzversagen im Endstadium bieten können.

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Quellen: