Революционната мека роботика може да предефинира технологията за изкуствено сърце

Революционната мека роботика може да предефинира технологията за изкуствено сърце

Революционно меко роботизирано сърце може да трансформира лечението на краен стадий на сърдечна недостатъчност и да ни доближи от всякога до напълно функциониращи, биосъвместими изкуствени органи.

Проучване: Меко изкуствено хибридно сърце. Снимка: Africa Studio/Shutterstock.com

Изследователите разработиха цялостно изкуствено хибридно сърце чрез мека роботика, което може да отвори нови хоризонти в медицината за сърдечна недостатъчност и трансплантации. Статията, съдържаща първото доказателство за концепцията на това ново откритие, е публикувана в списаниетоОбщуване с природата.

фон

Крайният стадий на сърдечна недостатъчност е свързан с висока смъртност. Заболяването е лечимо чрез сърдечна трансплантация; Въпреки това, липсата на донорски сърца е основният недостатък. Това ограничение е довело до разработването на тотално изкуствено сърце и устройства за подпомагане на лявата камера.

Тези изкуствени устройства имат лоша биосъвместимост, тъй като материалите, използвани за проектирането им, не са извлечени от тялото на пациента. Освен това тези устройства физически не работят, за да циркулират кръвта в тялото. Тези фактори могат да предизвикат образуване на кръвни съсиреци, което впоследствие може да доведе до усложнения, свързани с кръвния поток.

Устройствата за перкутанно задвижване, които са необходими за захранване и свързване на наличните в момента сърдечни устройства към външен източник, имат висок риск от инфекция и значително влияят върху качеството на живот на пациента. Тези усложнения понастоящем ограничават клиничната употреба на общо наличните артисти.

В настоящото проучване изследователите разработиха хибриден тотален артист, в който мощността на помпата идва от мека роботика за физиологично ускоряване на кръвта. Те нарекоха устройството „хибридно сърце“.

Хибридно сърце – дизайн и принцип на работа

Изследователите са проектирали това ново поколение тотални артисти с идеята, че устройството трябва да имитира структурата и функцията на човешкото сърце. Човешкото сърце има две камери, лявата и дясната камера, които са разделени от преграда (преграда). Синхронното свиване на вентрикулите и септума води до изхвърляне на кръв от циркулиращите вентрикули.

Подобно на човешкото сърце, хибридното сърце съдържа две изкуствени камери, разделени от мек пневматичен мускул (преграда). Вентрикулите и преградата са изработени от найлон, покрит с термопластичен полиуретан. Трябва да се отбележи, че дизайнът също така включва множество проводници без детайли, подредени в затворен контур, които играят ключова роля в имитирането на координираните контракции на сърцето чрез разпределяне на силите в двете вентрикули.

Надмолекулните покрития се прилагат върху термопластичния найлонов материал с полиуретаново покритие за подобряване на биосъвместимостта.

Използва се положително или отрицателно въздушно налягане за надуване и изпускане на преградата. Тъй като преградата се надува по време на систола, нейният вътрешен диаметър се увеличава, което позволява повече тел да бъде увита около нея. Това притиска вентрикулите, за да изхвърли кръв като естествено сърце. Тъй като преградата се изпразва по време на диастола, вентрикулите пасивно се пълнят отново.

Специфичната дължина и брой проводници около всяка камера могат да се регулират, за да се промени сърдечният дебит на всяка камера, като по този начин се адаптират изискванията към изискванията на различни физиологични състояния или заболявания. Тази регулируемост може да бъде важна за адаптиране на устройството към индивидуалните изисквания на пациента, например при белодробна хипертония.

В ранните изпитания меката роботизирана система демонстрира способността да генерира криви на налягане, подобни на тези в естествените сърдечни удари, придавайки на устройството по-безжизнен ритъм на изпомпване.

Роботизиран механизъм за задействане осигурява необходимия профил на налягане за преградата на хибридното сърце. Механизмът за задействане преобразува управляващите сигнали във физически действия в системата. Този мек роботизиран боен механизъм не разчита на електроника за генериране на сърдечен ритъм. Вместо това, той автономно и пасивно преобразува постоянния поток на непрекъсната въздушна помпа в импулси на налягане, които генерират сърдечния ритъм за хибридното сърце.

Цялостната система обаче включва и електронни компоненти за захранване и контрол, особено в бъдещи напълно имплантируеми версии.

Функционално валидиране

Лабораторното тестване на хибридното сърце при физиологични условия разкри, че устройството имитира физиологията на изпомпване на човешкото сърце и неговата лява камера може да изпомпва 5,7 литра кръв на минута (сърдечен дебит) при сърдечна честота от 60 удара в минута. Тъй като сърдечният дебит на лявата камера трябва да е по-висок от десен вентрикул, сърдечният дебит на дясната камера на устройството беше регулиран на 5 литра в минута чрез регулиране на дължината на проводниците около дясната камера.

Хибридното сърце беше допълнително тествано върху животни чрез хирургично имплантиране на устройството в перикардното пространство. Устройството е отговорно за целия кръвен поток на животните по време на тестов период от 50 минути.

Тестът върху животни беше краткосрочен експеримент, а не дългосрочен имплант, осигуряващ първоначално доказателство за концепцията за функцията на устройствотоIn vivo.

Въпреки това, при острия тест с животни, сърдечният дебит е по-нисък отин витро(Приблизително 2,3 литра в минута при 65 bpm), отразявайки ранния етап на устройството, естеството на доказателство за концепцията и очакваните технически ограничения.

Резултатите показват, че термопластичният найлонов материал с полиуретаново покритие, използван в хибридното сърце, е нетоксичен, има подобрена биосъвместимост и има силни антитромбогенни свойства, дължащи се на надмолекулните им покрития.

животно иин витроТестовете показват значително намаляване на адхезията на тромбоцитите и тромбозата в сравнение с непокритите материали, подкрепяйки потенциала за дългосрочна съвместимост с кръвта.

В лабораторни експерименти и експерименти с животни е използвана отворена пневматична система за задействане на хибридните сърца. Въпреки това е разработена напълно имплантируема затворена флуидна система за задвижване за бъдеща клинична употреба. Тази система се състоеше от имплантирана въздушна помпа с непрекъснат поток, въздушен резервоар и мека роботизирана система за задействане, свързана със септума в затворен циркулационен контур.

Затворената флуидна система беше интегрирана в система за транскутанен енергиен трансфер (TET) за безжично осигуряване на електрическа енергия към помпата. Външната Tet намотка, поставена върху кожата на пациента, превишава силата в подкожно имплантираната вътрешна Tet намотка, докато кожата остава непокътната.

Този подход може потенциално да намали риска от инфекция и да подобри качеството на живот на пациентите, като им позволи временно да се изключат от източник на захранване и да се включат в дейности като душ или плуване.

Тестването на тази затворена флуидна система разкрива, че когато помпата с постоянен поток е захранена, хибридното сърце автоматично започва да бие със сърдечна честота от 35 удара в минута и произвежда относително нисък сърдечен дебит в сравнение с този, произведен от конвенционалната система за задвижване.

Това ограничение беше приписано в първоначалните експерименти на наличната мощност на системата TET, което не беше фундаментална бариера за технологията. Изследването установи, че увеличаването на входящата енергия трябва да подобри сърдечния дебит и изследователите в момента работят върху това.

Освен това хибридното сърце демонстрира адаптивни физиологични свойства. Чувствителността към предварително и след натоварване означава, че хибридното сърце може да регулира мощността си в отговор на кръвното налягане и обемите като естествено сърце. Това се постига пасивно, имитирайки механизма на Франк-Старлинг, при който сърцето увеличава производството в отговор на увеличеното пълнене, без необходимост от сложни сензори или електроника.

Дизайнът също така позволява индивидуална конфигурация на устройството, напр. B. Промяна на дължината и позицията на проводника според индивидуалните изисквания на пациента.

Въпреки че доказателството за концепцията е обещаващо, работата все още е в начален стадий. Устройството е изградено на базата на прототипни материали, а не на медицински компоненти и ще са необходими допълнителни дългосрочни проучвания върху животни, за да се потвърди напълно безопасността, издръжливостта и ефективността на технологията.

Преди клинична употреба всички ключови компоненти, включително напълно имплантируемата версия и покритията за тъканно инженерство, изискват обширни допълнителни тестове, включително дългосрочни изследвания върху животни.

Значение

Проучването предоставя първото доказателство, че меките роботизирани техники могат успешно да разработят биосъвместимо изкуствено сърце, което може да осигури адекватен сърдечен дебит при физиологични условия.

Хибридното сърце, разработено в проучването, може да преодолее недостатъците на наличните в момента тотални изкуствени сърца и потенциално да осигури както антитромбогенни повърхности, така и подкрепа за тъканна интеграция.

Например, в бъдеще технологията за покритие може да бъде доразвита, за да включва молекули, които активно насърчават клетките на тялото да колонизират устройството и да образуват функционална вътрешна обвивка. Този двоен подход за намаляване на съсирването на кръвта и подпомагане на тъканната интеграция на тялото може да намали нуждата от антикоагулантна терапия през целия живот.

Въпреки че хибридното сърце все още не е готово за клинична употреба и изисква допълнително задълбочено тестване и оптимизация, то показва как меката роботика и биомиметичното инженерство могат да осигурят по-безопасни, функционални и по-адаптивни изкуствени сърца за тези в късен стадий на сърдечна недостатъчност.

Изтеглете вашето PDF копие сега!

източници: