Η πρωτοποριακή μαλακή ρομποτική θα μπορούσε να επαναπροσδιορίσει την τεχνολογία τεχνητής καρδιάς

Η πρωτοποριακή μαλακή ρομποτική θα μπορούσε να επαναπροσδιορίσει την τεχνολογία τεχνητής καρδιάς

Μια πρωτοποριακή μαλακή ρομποτική καρδιά θα μπορούσε να μεταμορφώσει τη θεραπεία για την καρδιακή ανεπάρκεια τελικού σταδίου και να μας φέρει πιο κοντά από ποτέ σε πλήρως λειτουργικά, βιοσυμβατά τεχνητά όργανα.

Μελέτη: Μια μαλακή τεχνητή υβριδική καρδιά. Φωτογραφία: Africa Studio/Shutterstock.com

Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια ολική τεχνητή υβριδική καρδιά με μαλακή ρομποτική που μπορεί να ανοίξει νέους ορίζοντες στην καρδιακή ανεπάρκεια και την ιατρική μεταμοσχεύσεων. Το άρθρο που περιέχει την πρώτη απόδειξη της ιδέας αυτής της νέας ανακάλυψης δημοσιεύεται στο περιοδικόΕπικοινωνία με τη φύση.

φόντο

Η καρδιακή ανεπάρκεια τελικού σταδίου σχετίζεται με υψηλό ποσοστό θνησιμότητας. Η ασθένεια αντιμετωπίζεται με μεταμόσχευση καρδιάς. Ωστόσο, η μη διαθεσιμότητα καρδιών δωρητών είναι το κύριο μειονέκτημα. Αυτός ο περιορισμός οδήγησε στην ανάπτυξη ολικών τεχνητών καρδιών και βοηθητικών συσκευών αριστερής κοιλίας.

Αυτές οι τεχνητές συσκευές έχουν κακή βιοσυμβατότητα επειδή τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό τους δεν προέρχονται από το σώμα του ασθενούς. Επιπλέον, αυτές οι συσκευές δεν λειτουργούν φυσικά για να κυκλοφορούν το αίμα σε όλο το σώμα. Αυτοί οι παράγοντες μπορούν να προκαλέσουν σχηματισμό θρόμβων αίματος, ο οποίος μπορεί στη συνέχεια να οδηγήσει σε επιπλοκές που σχετίζονται με τη ροή του αίματος.

Οι συσκευές διαδερμικής πρόωσης, οι οποίες απαιτούνται για την τροφοδοσία και τη σύνδεση των διαθέσιμων καρδιακών συσκευών σε μια εξωτερική πηγή, έχουν υψηλό κίνδυνο μόλυνσης και επηρεάζουν σημαντικά την ποιότητα ζωής του ασθενούς. Αυτές οι επιπλοκές περιορίζουν επί του παρόντος την κλινική χρήση του συνόλου των διαθέσιμων καλλιτεχνών.

Στην τρέχουσα μελέτη, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν υβριδικό συνολικό καλλιτέχνη στον οποίο η ισχύς της αντλίας προέρχεται από τη μαλακή ρομποτική για να προωθήσει φυσιολογικά το αίμα. Ονόμασαν τη συσκευή «υβριδική καρδιά».

Υβριδική καρδιά – σχεδιασμός και αρχή λειτουργίας

Οι ερευνητές σχεδίασαν αυτή τη νέα γενιά συνολικών καλλιτεχνών με την ιδέα ότι η συσκευή θα πρέπει να μιμείται τη δομή και τη λειτουργία της ανθρώπινης καρδιάς. Η ανθρώπινη καρδιά έχει δύο θαλάμους, την αριστερή και τη δεξιά κοιλία, οι οποίες χωρίζονται από ένα διάφραγμα (ένα χώρισμα). Η σύγχρονη συστολή των κοιλιών και του διαφράγματος έχει ως αποτέλεσμα την αποβολή αίματος από τις κυκλοφορούσες κοιλίες.

Όπως η ανθρώπινη καρδιά, η υβριδική καρδιά περιέχει δύο τεχνητούς θαλάμους που χωρίζονται από έναν μαλακό πνευματικό μυ (διάφραγμα). Οι κοιλίες και το διάφραγμα είναι κατασκευασμένα από νάιλον επικαλυμμένο με θερμοπλαστική πολυουρεθάνη. Σημειωτέον, ο σχεδιασμός περιλαμβάνει επίσης πολλαπλά μη λεπτομερή καλώδια διατεταγμένα σε κλειστό βρόχο που παίζουν βασικό ρόλο στη μίμηση των συντονισμένων συσπάσεων της καρδιάς κατανέμοντας δυνάμεις και στις δύο κοιλίες.

Οι υπερμοριακές επικαλύψεις εφαρμόζονται στο θερμοπλαστικό νάιλον υλικό με επικάλυψη πολυουρεθάνης για τη βελτίωση της βιοσυμβατότητας.

Θετική ή αρνητική πίεση αέρα χρησιμοποιείται για να φουσκώσει και να ξεφουσκώσει το διάφραγμα. Καθώς το διάφραγμα φουσκώνει κατά τη διάρκεια της συστολής, η εσωτερική του διάμετρος αυξάνεται, επιτρέποντας να τυλιχτεί περισσότερο σύρμα γύρω του. Αυτό πιέζει τις κοιλίες για να εκτοξεύσει αίμα σαν μια φυσική καρδιά. Καθώς το διάφραγμα αδειάζει κατά τη διάρκεια της διαστολής, οι κοιλίες ξαναγεμίζουν παθητικά.

Το συγκεκριμένο μήκος και ο αριθμός των συρμάτων γύρω από κάθε κοιλία μπορεί να ρυθμιστεί για να αλλάξει η καρδιακή παροχή κάθε θαλάμου, προσαρμόζοντας έτσι τις απαιτήσεις στις απαιτήσεις διαφορετικών φυσιολογικών καταστάσεων ή ασθενειών. Αυτή η δυνατότητα προσαρμογής θα μπορούσε να είναι σημαντική για την προσαρμογή της συσκευής στις μεμονωμένες απαιτήσεις του ασθενούς, για παράδειγμα στην πνευμονική υπέρταση.

Σε πρώιμες δοκιμές, το μαλακό ρομποτικό σύστημα έδειξε την ικανότητα να δημιουργεί καμπύλες πίεσης παρόμοιες με αυτές στους φυσικούς καρδιακούς παλμούς, δίνοντας στη συσκευή έναν πιο άψυχο ρυθμό άντλησης.

Ένας ρομποτικός μηχανισμός ενεργοποίησης παρέχει το απαιτούμενο προφίλ πίεσης για το διάφραγμα της υβριδικής καρδιάς. Ο μηχανισμός ενεργοποίησης μετατρέπει τα σήματα ελέγχου σε φυσικές ενέργειες μέσα σε ένα σύστημα. Αυτός ο μαλακός ρομποτικός μηχανισμός μάχης δεν βασίζεται σε ηλεκτρονικά για τη δημιουργία καρδιακού παλμού. Αντίθετα, μετατρέπει αυτόνομα και παθητικά τη σταθερή ροή μιας συνεχούς αντλίας αέρα σε παλμούς πίεσης που δημιουργούν τον καρδιακό παλμό για την υβριδική καρδιά.

Ωστόσο, το συνολικό σύστημα περιλαμβάνει επίσης ηλεκτρονικά εξαρτήματα για τροφοδοσία και έλεγχο, ιδιαίτερα σε μελλοντικές πλήρως εμφυτεύσιμες εκδόσεις.

Λειτουργική επικύρωση

Ο εργαστηριακός έλεγχος της υβριδικής καρδιάς υπό φυσιολογικές συνθήκες αποκάλυψε ότι η συσκευή μιμείται τη φυσιολογία άντλησης της ανθρώπινης καρδιάς και η αριστερή της κοιλία μπορεί να αντλεί 5,7 λίτρα αίματος ανά λεπτό (καρδιακή παροχή) με καρδιακό ρυθμό 60 παλμούς ανά λεπτό. Επειδή η καρδιακή παροχή της αριστερής κοιλίας πρέπει να είναι υψηλότερη από τη δεξιά κοιλία, η καρδιακή παροχή της δεξιάς κοιλίας της συσκευής προσαρμόστηκε στα 5 λίτρα ανά λεπτό ρυθμίζοντας το μήκος των συρμάτων γύρω από τη δεξιά κοιλία.

Η υβριδική καρδιά δοκιμάστηκε περαιτέρω σε ζώα με χειρουργική εμφύτευση της συσκευής στον περικαρδιακό χώρο. Η συσκευή ήταν υπεύθυνη για όλη τη ροή αίματος των ζώων κατά τη διάρκεια μιας δοκιμαστικής περιόδου 50 λεπτών.

Η δοκιμή σε ζώα ήταν ένα βραχυπρόθεσμο πείραμα, όχι ένα μακροπρόθεσμο εμφύτευμα, παρέχοντας μια αρχική απόδειξη της ιδέας για τη λειτουργία της συσκευήςIn vivo.

Ωστόσο, στην οξεία δοκιμή σε ζώα, η καρδιακή παροχή ήταν χαμηλότερη απόin vitro(Περίπου 2,3 λίτρα ανά λεπτό στα 65 bpm), που αντικατοπτρίζει το αρχικό στάδιο της συσκευής, την απόδειξη της ιδέας και τους αναμενόμενους τεχνικούς περιορισμούς.

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το θερμοπλαστικό νάιλον υλικό επικαλυμμένο με πολυουρεθάνη που χρησιμοποιείται στην υβριδική καρδιά είναι μη τοξικό, έχει βελτιωμένη βιοσυμβατότητα και έχει ισχυρές αντιθρομβογόνες ιδιότητες λόγω των υπερμοριακών επικαλύψεων.

ζώο καιin vitroΗ δοκιμή έδειξε σημαντική μείωση της προσκόλλησης των αιμοπεταλίων και της θρόμβωσης σε σύγκριση με μη επικαλυμμένα υλικά, υποστηρίζοντας τη δυνατότητα μακροχρόνιας συμβατότητας του αίματος.

Σε εργαστηριακά πειράματα και πειράματα σε ζώα, χρησιμοποιήθηκε ένα ανοιχτό πνευματικό σύστημα για την ενεργοποίηση των υβριδικών καρδιών. Ωστόσο, ένα πλήρως εμφυτεύσιμο, κλειστό σύστημα ρευστότητας έχει αναπτυχθεί για μελλοντική κλινική χρήση. Αυτό το σύστημα αποτελούνταν από μια εμφυτευμένη αντλία αέρα συνεχούς ροής, μια δεξαμενή αέρα και ένα μαλακό ρομποτικό σύστημα ενεργοποίησης συνδεδεμένο με το διάφραγμα σε έναν κλειστό βρόχο κυκλοφορίας.

Το κλειστό σύστημα ρευστού ενσωματώθηκε σε ένα σύστημα διαδερμικής μεταφοράς ενέργειας (TET) για να παρέχει ασύρματα ηλεκτρική ενέργεια στην αντλία. Η εξωτερική σπείρα Tet που τοποθετήθηκε στο δέρμα του ασθενούς ξεπέρασε τη δύναμη στην υποδόρια εμφυτευμένη εσωτερική σπείρα Tet ενώ το δέρμα παρέμεινε ανέπαφο.

Αυτή η προσέγγιση μπορεί ενδεχομένως να μειώσει τον κίνδυνο μόλυνσης και να βελτιώσει την ποιότητα ζωής των ασθενών, επιτρέποντάς τους να αποσυνδεθούν προσωρινά από μια πηγή ρεύματος και να συμμετέχουν σε δραστηριότητες όπως το ντους ή το κολύμπι.

Η δοκιμή αυτού του κλειστού υγρού συστήματος αποκάλυψε ότι όταν η αντλία συνεχούς ροής τροφοδοτήθηκε, η υβριδική καρδιά άρχισε αυτόματα να χτυπά με καρδιακό ρυθμό 35 bpm και παρήγαγε σχετικά χαμηλή καρδιακή παροχή σε σύγκριση με αυτή που παράγεται από το συμβατικό σύστημα οδήγησης.

Αυτός ο περιορισμός αποδόθηκε στα αρχικά πειράματα στη διαθέσιμη ισχύ του συστήματος TET, το οποίο δεν αποτελούσε θεμελιώδες εμπόδιο για την τεχνολογία. Η έρευνα διαπίστωσε ότι η αύξηση της ενέργειας εισόδου θα βελτιώσει την καρδιακή παροχή και οι ερευνητές εργάζονται επί του παρόντος.

Επιπλέον, η υβριδική καρδιά επέδειξε προσαρμοστικές φυσιολογικές ιδιότητες. Η ευαισθησία προφόρτισης και μεταφόρτωσης σημαίνει ότι η υβριδική καρδιά μπορεί να προσαρμόσει την έξοδο της ως απόκριση στην αρτηριακή πίεση και τους όγκους όπως μια φυσική καρδιά. Αυτό επιτυγχάνεται παθητικά, μιμούμενος τον μηχανισμό Frank-Starling, με τον οποίο η καρδιά αυξάνει την παραγωγή ως απόκριση σε αυξημένο γέμισμα, χωρίς την ανάγκη περίπλοκων αισθητήρων ή ηλεκτρονικών.

Ο σχεδιασμός επιτρέπει επίσης την ατομική διαμόρφωση της συσκευής, π.χ. B. Αλλαγή του μήκους και της θέσης του σύρματος προσαρμοσμένη στις ατομικές απαιτήσεις του ασθενούς.

Ενώ η απόδειξη της ιδέας είναι πολλά υποσχόμενη, το έργο είναι ακόμα στα σπάργανα. Η συσκευή κατασκευάστηκε σε πρωτότυπα υλικά και όχι σε εξαρτήματα ιατρικής ποιότητας και θα απαιτηθούν περαιτέρω μακροπρόθεσμες μελέτες σε ζώα για την πλήρη επικύρωση της ασφάλειας, της αντοχής και της απόδοσης της τεχνολογίας.

Πριν από την κλινική χρήση, όλα τα βασικά συστατικά, συμπεριλαμβανομένης της πλήρως εμφυτεύσιμης έκδοσης και των επικαλύψεων μηχανικής ιστών, απαιτούν εκτεταμένες περαιτέρω δοκιμές, συμπεριλαμβανομένων μακροχρόνιων μελετών σε ζώα.

Εννοια

Η μελέτη παρέχει τα πρώτα στοιχεία ότι οι μαλακές ρομποτικές τεχνικές μπορούν να αναπτύξουν με επιτυχία μια βιοσυμβατή τεχνητή καρδιά που μπορεί να προσφέρει επαρκή καρδιακή παροχή υπό φυσιολογικές συνθήκες.

Η υβριδική καρδιά που αναπτύχθηκε στη μελέτη μπορεί να ξεπεράσει τις ελλείψεις των διαθέσιμων επί του παρόντος συνολικών τεχνητών καρδιών και ενδεχομένως να παρέχει τόσο αντιθρομβογόνες επιφάνειες όσο και υποστήριξη για την ενσωμάτωση των ιστών.

Για παράδειγμα, στο μέλλον, η τεχνολογία επίστρωσης θα μπορούσε να αναπτυχθεί περαιτέρω ώστε να περιλαμβάνει μόρια που ενθαρρύνουν ενεργά τα κύτταρα του σώματος να αποικίσουν τη συσκευή και να σχηματίσουν μια λειτουργική εσωτερική επένδυση. Αυτή η διπλή προσέγγιση για τη μείωση της πήξης του αίματος και την υποστήριξη της ενσωμάτωσης των ιστών του σώματος θα μπορούσε να μειώσει την ανάγκη για ισόβια αντιπηκτική θεραπεία.

Αν και η υβριδική καρδιά δεν είναι ακόμη έτοιμη για κλινική χρήση και απαιτεί περαιτέρω ενδελεχείς δοκιμές και βελτιστοποίηση, δείχνει πώς η μαλακή ρομποτική και η βιομιμητική μηχανική μπορούν να παρέχουν ασφαλέστερες, λειτουργικές και πιο προσαρμόσιμες τεχνητές καρδιές για όσους βρίσκονται σε τελευταίο στάδιο καρδιακής ανεπάρκειας.

Κατεβάστε το αντίγραφο PDF σας τώρα!

Πηγές: