يمكن للروبوتات الناعمة المتقدمة أن تعيد تعريف تكنولوجيا القلب الاصطناعي

يمكن للروبوتات الناعمة المتقدمة أن تعيد تعريف تكنولوجيا القلب الاصطناعي

يمكن للقلب الآلي الناعم الرائد أن يحدث تحولًا في علاج قصور القلب في المرحلة النهائية ويجعلنا أقرب من أي وقت مضى إلى أعضاء اصطناعية تعمل بكامل طاقتها ومتوافقة حيويًا.

دراسة: قلب هجين صناعي ناعم. حقوق الصورة: استوديو أفريقيا/Shutterstock.com

طور الباحثون قلبًا هجينًا صناعيًا كليًا بواسطة الروبوتات الناعمة التي يمكن أن تفتح آفاقًا جديدة في علاج قصور القلب وطب زرع الأعضاء. تم نشر المقال الذي يحتوي على أول دليل على مفهوم هذا الاكتشاف الجديد في المجلةالتواصل مع الطبيعة.

خلفية

ويرتبط فشل القلب في المرحلة النهائية بارتفاع معدل الوفيات. هذا المرض قابل للعلاج من خلال زراعة القلب. ومع ذلك، فإن عدم توفر قلوب المتبرعين هو العيب الرئيسي. وقد أدى هذا القيد إلى تطوير قلوب صناعية كاملة وأجهزة مساعدة البطين الأيسر.

تتميز هذه الأجهزة الاصطناعية بتوافق حيوي ضعيف لأن المواد المستخدمة في تصميمها ليست مشتقة من جسم المريض. بالإضافة إلى ذلك، لا تعمل هذه الأجهزة فعليًا على توزيع الدم في جميع أنحاء الجسم. هذه العوامل يمكن أن تحفز تكوين جلطة الدم، والتي يمكن أن تؤدي لاحقا إلى مضاعفات تتعلق بتدفق الدم.

أجهزة الدفع عن طريق الجلد، المطلوبة لتشغيل وتوصيل أجهزة القلب المتوفرة حاليًا بمصدر خارجي، تنطوي على مخاطر عالية للإصابة بالعدوى وتؤثر بشكل كبير على نوعية حياة المريض. تحد هذه المضاعفات حاليًا من الاستخدام السريري لإجمالي الفنانين المتاحين حاليًا.

في الدراسة الحالية، طور الباحثون فنانًا كليًا هجينًا تأتي فيه قوة المضخة من الروبوتات الناعمة لتعزيز الدم من الناحية الفسيولوجية. أطلقوا على الجهاز اسم "القلب الهجين".

القلب الهجين – التصميم ومبدأ العمل

صمم الباحثون هذا الجيل الجديد من الفنانين بفكرة أن الجهاز يجب أن يحاكي بنية ووظيفة القلب البشري. يتكون قلب الإنسان من حجرتين، البطين الأيمن والأيسر، ويفصل بينهما حاجز (حاجز). يؤدي الانكماش المتزامن للبطينين والحاجز إلى طرد الدم من البطينين في الدورة الدموية.

مثل قلب الإنسان، يحتوي القلب الهجين على حجرتين صناعيتين تفصل بينهما عضلة هوائية ناعمة (الحاجز). البطينان والحاجز مصنوعان من النايلون المطلي بمادة البولي يوريثين الحراري. ومن الجدير بالذكر أن التصميم يتضمن أيضًا أسلاكًا متعددة غير قابلة للفصل مرتبة في حلقة مغلقة تلعب دورًا رئيسيًا في محاكاة تقلصات القلب المنسقة من خلال توزيع القوى عبر البطينين.

يتم تطبيق الطلاءات فوق الجزيئية على مادة النايلون المطلية بالبولي يوريثان الحراري لتحسين التوافق الحيوي.

يتم استخدام ضغط الهواء الإيجابي أو السلبي لتضخيم وتفريغ الحاجز. عندما ينتفخ الحاجز أثناء الانقباض، يزداد قطره الداخلي، مما يسمح بالتفاف المزيد من الأسلاك حوله. وهذا يضغط على البطينين لإخراج الدم مثل القلب الطبيعي. عندما يفرغ الحاجز أثناء الانبساط، يمتلئ البطينان بشكل سلبي.

يمكن تعديل الطول المحدد وعدد الأسلاك حول كل بطين لتغيير النتاج القلبي لكل حجرة، وبالتالي تكييف المتطلبات مع متطلبات الحالات أو الأمراض الفسيولوجية المختلفة. يمكن أن تكون إمكانية الضبط هذه مهمة لتكييف الجهاز مع متطلبات المريض الفردية، على سبيل المثال في ارتفاع ضغط الدم الرئوي.

في التجارب المبكرة، أظهر النظام الآلي الناعم القدرة على توليد منحنيات ضغط مماثلة لتلك الموجودة في نبضات القلب الطبيعية، مما يمنح الجهاز إيقاع ضخ أكثر خمولًا.

توفر آلية التشغيل الروبوتية ملف الضغط المطلوب لحاجز القلب الهجين. تقوم آلية التشغيل بترجمة إشارات التحكم إلى إجراءات مادية داخل النظام. لا تعتمد آلية القتال الروبوتية الناعمة هذه على الإلكترونيات لتوليد نبضات القلب. وبدلاً من ذلك، فهو يحول بشكل مستقل وسلبي التدفق المستمر لمضخة الهواء المستمرة إلى نبضات ضغط تولد نبضات القلب الهجين.

ومع ذلك، يتضمن النظام الشامل أيضًا مكونات إلكترونية للطاقة والتحكم، خاصة في الإصدارات المستقبلية القابلة للزرع بالكامل.

التحقق من صحة وظيفية

وكشفت الاختبارات المعملية للقلب الهجين تحت ظروف فسيولوجية أن الجهاز يحاكي فسيولوجيا الضخ لقلب الإنسان ويمكن لبطينه الأيسر ضخ 5.7 لتر من الدم في الدقيقة (النتاج القلبي) بمعدل ضربات قلب يبلغ 60 نبضة في الدقيقة. نظرًا لأن النتاج القلبي للبطين الأيسر يجب أن يكون أعلى من البطين الأيمن، فقد تم ضبط النتاج القلبي للبطين الأيمن للجهاز إلى 5 لترات في الدقيقة عن طريق ضبط طول الأسلاك حول البطين الأيمن.

تم اختبار القلب الهجين أيضًا على الحيوانات عن طريق زرع الجهاز جراحيًا في مساحة التامور. كان الجهاز مسؤولاً عن تدفق دم الحيوان بالكامل خلال فترة اختبار مدتها 50 دقيقة.

كان الاختبار على الحيوانات تجربة قصيرة المدى، وليس زرعة طويلة المدى، مما يوفر إثباتًا أوليًا لمفهوم وظيفة الجهازفي الجسم الحي.

ومع ذلك، في اختبار الحيوانات الحادة، كان النتاج القلبي أقل منفي المختبر(حوالي 2.3 لترًا في الدقيقة عند 65 نبضة في الدقيقة)، مما يعكس المرحلة المبكرة للجهاز وطبيعة إثبات المفهوم والقيود التقنية المتوقعة.

وأظهرت النتائج أن مادة النايلون المطلية بالبولي يوريثين الملدن بالحرارة المستخدمة في القلب الهجين غير سامة، وقد حسنت التوافق الحيوي، ولها خصائص قوية مضادة للتخثر بسبب طبقاتها فوق الجزيئية.

حيوان وفي المختبرأظهر الاختبار انخفاضًا ملحوظًا في التصاق الصفائح الدموية والتخثر مقارنة بالمواد غير المطلية، مما يدعم إمكانية التوافق مع الدم على المدى الطويل.

في التجارب المعملية والحيوانية، تم استخدام نظام هوائي مفتوح لتنشيط القلوب الهجينة. ومع ذلك، فقد تم تطوير نظام قيادة فلويديك مغلق وقابل للزرع بالكامل للاستخدام السريري في المستقبل. يتكون هذا النظام من مضخة هواء مزروعة ذات تدفق مستمر، وخزان هواء، ونظام تشغيل آلي ناعم متصل بالحاجز في حلقة دوران مغلقة.

تم دمج نظام الموائع المغلق في نظام نقل الطاقة عبر الجلد (TET) لتوفير الطاقة الكهربائية للمضخة لاسلكيًا. تجاوزت قوة ملف Tet الخارجي الموضوع على جلد المريض القوة الموجودة في ملف Tet الداخلي المزروع تحت الجلد بينما ظل الجلد سليمًا.

يمكن لهذا النهج أن يقلل من خطر الإصابة بالعدوى ويحسن نوعية حياة المرضى من خلال السماح لهم بفصل مصدر الطاقة مؤقتًا والمشاركة في أنشطة مثل الاستحمام أو السباحة.

كشف اختبار نظام الموائع المغلق هذا أنه عندما يتم تشغيل مضخة التدفق المستمر، يبدأ القلب الهجين تلقائيًا في النبض بمعدل ضربات قلب يبلغ 35 نبضة في الدقيقة وينتج نتاجًا قلبيًا منخفضًا نسبيًا مقارنة بما ينتجه نظام القيادة التقليدي.

ويعزى هذا القيد في التجارب الأولية إلى الطاقة المتاحة لنظام TET، الذي لم يكن عائقا أساسيا أمام التكنولوجيا. ووجد البحث أن زيادة الطاقة المدخلة من شأنها أن تحسن النتاج القلبي، ويعمل الباحثون حاليًا على ذلك.

علاوة على ذلك، أظهر القلب الهجين خصائص فسيولوجية تكيفية. تعني حساسية التحميل المسبق والتحميل التالي أن القلب الهجين يمكنه ضبط إنتاجه استجابة لضغط الدم وأحجامه مثل القلب الطبيعي. يتم تحقيق ذلك بشكل سلبي، من خلال محاكاة آلية فرانك ستارلينغ، حيث يزيد القلب الإنتاج استجابة لزيادة الامتلاء، دون الحاجة إلى أجهزة استشعار أو إلكترونيات معقدة.

يسمح التصميم أيضًا بالتكوين الفردي للجهاز، على سبيل المثال. ب. تغيير طول السلك وموضعه بما يتناسب مع متطلبات المريض الفردية.

وفي حين أن إثبات المفهوم واعد، إلا أن العمل لا يزال في بداياته. تم بناء الجهاز على مواد أولية بدلاً من مكونات طبية، وستكون هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات على الحيوانات طويلة المدى للتحقق بشكل كامل من سلامة التكنولوجيا ومتانتها وأدائها.

قبل الاستخدام السريري، تتطلب جميع المكونات الرئيسية، بما في ذلك النسخة القابلة للزرع بالكامل وطلاءات هندسة الأنسجة، اختبارات إضافية مكثفة، بما في ذلك الدراسات على الحيوانات على المدى الطويل.

معنى

تقدم الدراسة أول دليل على أن التقنيات الروبوتية الناعمة يمكن أن تنجح في تطوير قلب صناعي متوافق حيويًا يمكنه توفير النتاج القلبي المناسب في ظل الظروف الفسيولوجية.

يمكن للقلب الهجين الذي تم تطويره في الدراسة التغلب على أوجه القصور في إجمالي القلوب الاصطناعية المتوفرة حاليًا ومن المحتمل أن يوفر أسطحًا مضادة للتخثر ودعمًا لتكامل الأنسجة.

على سبيل المثال، في المستقبل، يمكن تطوير تقنية الطلاء بشكل أكبر لتشمل جزيئات تشجع خلايا الجسم بشكل فعال على استعمار الجهاز وتشكيل بطانة داخلية وظيفية. هذا النهج المزدوج للحد من تخثر الدم ودعم تكامل أنسجة الجسم يمكن أن يقلل من الحاجة إلى العلاج المضاد لتخثر الدم مدى الحياة.

على الرغم من أن القلب الهجين ليس جاهزًا بعد للاستخدام السريري ويتطلب المزيد من الاختبارات والتحسينات الشاملة، إلا أنه يوضح كيف يمكن للروبوتات اللينة وهندسة المحاكاة الحيوية أن توفر قلوبًا صناعية أكثر أمانًا وعملية وأكثر قدرة على التكيف لأولئك الذين يعانون من قصور القلب في مرحلة متأخرة.

قم بتنزيل نسختك PDF الآن!

مصادر: