Läbimurdeline pehme robootika võib tehissüdame tehnoloogia uuesti määratleda

Läbimurdeline pehme robootika võib tehissüdame tehnoloogia uuesti määratleda

Murranguline pehme robotsüda võib muuta lõppstaadiumis südamepuudulikkuse ravi ja tuua meid paremini kui kunagi varem täielikult toimivatele bioühilduvatele tehisorganitele.

Uuring: pehme kunstlik hübriidsüda. Foto krediit: Africa Studio / Shutterstock.com

Teadlased töötasid pehme robootika abil välja täieliku kunstliku hübriidsüdame, mis võib avada uusi horisonte südamepuudulikkuse ja siirdamismeditsiinis. Ajakirjas avaldatakse artikkel, mis sisaldab selle uudse avastuse kontseptsiooni esimest tõestustLoodussuhtlus.

taustal

Lõppstaadiumis südamepuudulikkus on seotud kõrge suremusega. Haigus on ravitav südamesiirdamise teel; Peamiseks puuduseks on aga doonorsüdamete kättesaamatus. See piirang on viinud täielike tehissüdamete ja vasaku vatsakese abiseadmete väljatöötamiseni.

Nendel tehisseadmetel on halb biosobivus, kuna nende projekteerimiseks kasutatud materjalid ei ole saadud patsiendi kehast. Lisaks ei tööta need seadmed füüsiliselt vere ringlemiseks kogu kehas. Need tegurid võivad põhjustada verehüüvete moodustumist, mis võib seejärel põhjustada verevooluga seotud tüsistusi.

Perkutaansetel tõukeseadmetel, mida on vaja praegu saadaolevate südameseadmete toiteks ja välise allikaga ühendamiseks, on suur nakkusoht ja need mõjutavad oluliselt patsiendi elukvaliteeti. Need tüsistused piiravad praegu olemasolevate kunstnike kliinilist kasutamist.

Praeguses uuringus töötasid teadlased välja hübriidse totaalse kunstniku, mille pumba võimsus pärineb pehmest robootikast, et verd füsioloogiliselt edendada. Nad nimetasid seadet "hübriidsüdameks".

Hübriidsüda – disain ja tööpõhimõte

Teadlased kujundasid selle uue põlvkonna kunstnike ideega, et seade peaks jäljendama inimsüdame struktuuri ja funktsiooni. Inimese südamel on kaks kambrit, vasak ja parem vatsake, mis on eraldatud vaheseinaga (vaheseinaga). Vatsakeste ja vaheseina sünkroonne kokkutõmbumine toob kaasa vere väljutamise ringlevatest vatsakestest.

Nagu inimese süda, sisaldab hübriidsüda kahte tehiskambrit, mis on eraldatud pehme pneumaatilise lihasega (vaheseina). Ventriklid ja vahesein on valmistatud nailonist, mis on kaetud termoplastse polüuretaaniga. Eelkõige sisaldab disain ka mitut mittedetailset traati, mis on paigutatud suletud ahelasse, mis mängivad võtmerolli südame koordineeritud kontraktsioonide jäljendamisel, jaotades jõudu mõlema vatsakese vahel.

Bioühilduvuse parandamiseks kantakse termoplastsele polüuretaaniga kaetud nailonmaterjalile supramolekulaarsed katted.

Positiivset või negatiivset õhurõhku kasutatakse vaheseina täispuhumiseks ja tühjendamiseks. Kui vahesein süstoli ajal paisub, suureneb selle siseläbimõõt, mis võimaldab selle ümber mähkida rohkem traati. See pigistab vatsakesi, et väljutada verd nagu loomulik süda. Kui vahesein diastoli ajal tühjeneb, täituvad vatsakesed passiivselt.

Iga vatsakese ümber olevate juhtmete spetsiifilist pikkust ja arvu saab reguleerida, et muuta iga kambri südame väljundvõimsust, kohandades seeläbi nõudeid erinevate füsioloogiliste seisundite või haiguste nõuetega. See reguleeritavus võib olla oluline, et kohandada seadet vastavalt patsiendi individuaalsetele vajadustele, näiteks pulmonaalse hüpertensiooni korral.

Varasemates katsetes näitas pehme robotsüsteem suutlikkust luua rõhukõveraid, mis on sarnased loomulike südamelöökidega, andes seadmele elutuma pumpamisrütmi.

Robot-käivitusmehhanism tagab hübriidsüdame vaheseinale vajaliku rõhuprofiili. Käivitusmehhanism muudab juhtsignaalid süsteemis füüsilisteks toiminguteks. See pehme robot-võitlusmehhanism ei tugine südamelöökide tekitamisel elektroonikale. Selle asemel muudab see autonoomselt ja passiivselt pideva õhupumba pideva voolu rõhuimpulssideks, mis genereerivad hübriidsüdame südamelööke.

Kuid kogu süsteem sisaldab ka toite ja juhtimise elektroonilisi komponente, eriti tulevastes täielikult siirdatavates versioonides.

Funktsionaalne valideerimine

Hübriidsüdame laboratoorsed testid füsioloogilistes tingimustes näitasid, et seade jäljendab inimese südame pumpamise füsioloogiat ja selle vasak vatsake suudab pumbata 5,7 liitrit verd minutis (südame väljund) pulsisagedusega 60 lööki minutis. Kuna vasaku vatsakese südame väljund peaks olema parem kui parem, reguleeriti seadme parema vatsakese südame väljund 5 liitrini minutis, reguleerides parema vatsakese ümber olevate juhtmete pikkust.

Hübriidset südant testiti täiendavalt loomadel, implanteerides seadme kirurgiliselt perikardi ruumi. Seade vastutas kogu loomade verevoolu eest 50-minutilise katseperioodi jooksul.

Loomkatse oli lühiajaline katse, mitte pikaajaline implantaat, mis andis seadme funktsiooni esialgse tõestuse.In vivo.

Kuid ägedas loomkatses oli südame väljund väiksem kuiin vitro(umbes 2,3 liitrit minutis kiirusel 65 lööki minutis), mis peegeldab seadme varajast faasi, kontseptsiooni tõestust ja eeldatavaid tehnilisi piiranguid.

Tulemused näitasid, et hübriidsüdames kasutatav termoplastne polüuretaankattega nailonmaterjal on mittetoksiline, sellel on paranenud biosobivus ja tänu nende supramolekulaarsetele katetele on sellel tugevad trombivastased omadused.

loom jain vitroTestimine näitas trombotsüütide adhesiooni ja tromboosi olulist vähenemist võrreldes katmata materjalidega, toetades potentsiaalset pikaajalist kokkusobivust verega.

Labori- ja loomkatsetes kasutati hübriidsüdamete käivitamiseks avatud pneumaatilist süsteemi. Siiski on tulevaseks kliiniliseks kasutamiseks välja töötatud täielikult implanteeritav suletud vedelikuga sõidusüsteem. See süsteem koosnes siirdatud pideva vooluga õhupumbast, õhureservuaarist ja pehmest robotkäivitussüsteemist, mis oli suletud tsirkulatsiooniahelas vaheseinaga ühendatud.

Suletud vedelikusüsteem integreeriti transkutaanse energiaülekande (TET) süsteemi, et anda pumbale juhtmevabalt elektrienergiat. Patsiendi nahale asetatud välimine Tet-spiraal ületas nahaaluselt implanteeritud sisemise Tet-spiraali jõudu, samas kui nahk jäi puutumata.

Selline lähenemine võib potentsiaalselt vähendada nakkusohtu ja parandada patsientide elukvaliteeti, võimaldades neil ajutiselt toiteallikast lahti ühendada ja tegeleda selliste tegevustega nagu duši all käimine või ujumine.

Selle suletud vedelikusüsteemi testimine näitas, et pideva voolupumba sisselülitamisel hakkas hübriidsüda automaatselt peksma pulsisagedusega 35 lööki minutis ja tekitas tavapärase juhtimissüsteemiga võrreldes suhteliselt madala südame väljundi.

See piirang omistati esialgsetes katsetes TET-süsteemi olemasolevale võimsusele, mis ei olnud tehnoloogia põhitõkkeks. Uuringus leiti, et sisendenergia suurendamine peaks parandama südame väljundit ja teadlased tegelevad praegu sellega.

Lisaks näitas hübriidsüda adaptiivseid füsioloogilisi omadusi. Eel- ja järelkoormuse tundlikkus tähendab, et hübriidsüda saab reguleerida oma väljundit vastavalt vererõhule ja mahtudele nagu loomulik süda. See saavutatakse passiivselt, jäljendades Frank-Starlingi mehhanismi, mille puhul süda suurendab toodangut vastuseks suurenenud täitumisele, ilma et oleks vaja keerulisi andureid või elektroonikat.

Disain võimaldab ka seadme individuaalset konfigureerimist, nt. B. Traadi pikkuse ja asendi muutmine vastavalt patsiendi individuaalsetele vajadustele.

Kuigi kontseptsiooni tõestamine on paljulubav, on töö alles lapsekingades. Seade ehitati prototüüpmaterjalidele, mitte meditsiinilistele komponentidele ning tehnoloogia ohutuse, vastupidavuse ja jõudluse täielikuks kinnitamiseks on vaja täiendavaid pikaajalisi loomkatseid.

Enne kliinilist kasutamist vajavad kõik põhikomponendid, sealhulgas täielikult siirdatav versioon ja koetehnoloogia katted, põhjalikku täiendavat katsetamist, sealhulgas pikaajalisi loomkatseid.

Tähendus

Uuring annab esimesed tõendid selle kohta, et pehmete robottehnikate abil on võimalik edukalt välja töötada bioühilduv tehissüda, mis suudab füsioloogilistes tingimustes piisava südame väljundi.

Uuringus välja töötatud hübriidsüda võib ületada praegu saadaolevate tehissüdamete puudused ja pakkuda potentsiaalselt nii trombogeenseid pindu kui ka kudede integratsiooni tuge.

Näiteks võiks tulevikus kattetehnoloogiat edasi arendada, et see hõlmaks molekule, mis õhutavad aktiivselt keharakke seadet koloniseerima ja funktsionaalse sisevoodri moodustama. See kahekordne lähenemisviis vere hüübimise vähendamisele ja keha kudede integratsiooni toetamisele võib vähendada vajadust eluaegse antikoagulantravi järele.

Kuigi hübriidsüda ei ole veel kliiniliseks kasutamiseks valmis ning vajab täiendavat põhjalikku testimist ja optimeerimist, näitab see, kuidas pehme robootika ja biomimeetiline tehnika võivad pakkuda ohutumaid, funktsionaalsemaid ja kohandatavamaid tehissüdameid neile, kellel on hilises staadiumis südamepuudulikkus.

Laadige kohe alla oma PDF-koopia!

Allikad: