Läpimurto pehmeä robotiikka voisi määritellä tekosydänteknologian uudelleen

Läpimurto pehmeä robotiikka voisi määritellä tekosydänteknologian uudelleen

Mullistava pehmeä robottisydän voisi muuttaa loppuvaiheen sydämen vajaatoiminnan hoitoa ja tuoda meidät lähemmäs täysin toimivia, bioyhteensopivia keinoelinten kuin koskaan aikaisemmin.

Tutkimus: Pehmeä keinotekoinen hybridisydän. Kuvan luotto: Africa Studio/Shutterstock.com

Tutkijat kehittivät pehmeän robotiikan avulla täydellisen keinotekoisen hybridisydämen, joka voi avata uusia näköaloja sydämen vajaatoiminnalle ja elinsiirtolääketieteelle. Artikkeli, joka sisältää ensimmäisen todisteen tämän uuden löydön käsitteestä, on julkaistu lehdessäLuontoviestintä.

tausta

Loppuvaiheen sydämen vajaatoiminta liittyy korkeaan kuolleisuuteen. Sairaus on hoidettavissa sydämensiirrolla; Suurin haittapuoli on kuitenkin luovuttajasydämien puuttuminen. Tämä rajoitus on johtanut kokonaisten tekosydämien ja vasemman kammion apulaitteiden kehittämiseen.

Näiden keinotekoisten laitteiden biologinen yhteensopivuus on huono, koska niiden suunnittelussa käytetyt materiaalit eivät ole peräisin potilaan kehosta. Lisäksi nämä laitteet eivät fyysisesti kierrä verenkiertoa koko kehossa. Nämä tekijät voivat aiheuttaa verihyytymien muodostumista, mikä voi myöhemmin johtaa verenkiertoon liittyviin komplikaatioihin.

Perkutaanisilla propulsiolaitteilla, joita tarvitaan tällä hetkellä saatavilla olevien sydänlaitteiden virran saamiseen ja liittämiseen ulkoiseen lähteeseen, on suuri infektioriski ja ne vaikuttavat merkittävästi potilaan elämänlaatuun. Nämä komplikaatiot rajoittavat tällä hetkellä saatavilla olevien taiteilijoiden kliinistä käyttöä.

Tässä tutkimuksessa tutkijat kehittivät hybriditaiteilijan, jossa pumpun teho tulee pehmeästä robotiikasta veren fysiologiseksi edistämiseksi. He kutsuivat laitetta "hybridisydämeksi".

Hybridisydän – suunnittelu ja toimintaperiaate

Tutkijat suunnittelivat tämän uuden sukupolven kokonaistaiteilijoita ajatuksella, että laitteen tulisi jäljitellä ihmissydämen rakennetta ja toimintaa. Ihmisen sydämessä on kaksi kammiota, vasen ja oikea kammio, jotka on erotettu väliseinällä. Kammioiden ja väliseinän synkroninen supistuminen johtaa veren poistumiseen kiertävistä kammioista.

Ihmissydämen tavoin hybridisydämessä on kaksi keinotekoista kammiota, jotka on erotettu toisistaan ​​pehmeällä pneumaattisella lihaksella (septumi). Kammiot ja väliseinä on valmistettu nailonista, joka on päällystetty termoplastisella polyuretaanilla. Suunnitelmaan kuuluu myös useita ei-yksityiskohtaisia ​​johtoja, jotka on järjestetty suljettuun silmukaan ja joilla on avainrooli matkittaessa sydämen koordinoituja supistuksia jakamalla voimia molempien kammioiden välillä.

Supramolekulaariset pinnoitteet levitetään termoplastiselle polyuretaanilla päällystetylle nailonmateriaalille bioyhteensopivuuden parantamiseksi.

Positiivista tai negatiivista ilmanpainetta käytetään väliseinän täyttämiseen ja tyhjentämiseen. Kun väliseinä täyttyy systolen aikana, sen sisähalkaisija kasvaa, jolloin sen ympärille voidaan kääriä enemmän lankaa. Tämä puristaa kammiot ulos työntämään verta kuin luonnollinen sydän. Kun väliseinä tyhjenee diastolen aikana, kammiot täyttyvät passiivisesti.

Kunkin kammion ympärillä olevien johtojen pituutta ja lukumäärää voidaan säätää muuttamaan kunkin kammion sydämen minuuttitilavuutta, mikä mukauttaa vaatimukset erilaisten fysiologisten tilojen tai sairauksien vaatimuksiin. Tämä säädettävyys voi olla tärkeää sovitettaessa laitetta yksittäisten potilaiden tarpeisiin, esimerkiksi keuhkoverenpainetaudissa.

Varhaisissa kokeissa pehmeä robottijärjestelmä osoitti kykynsä luoda painekäyriä, jotka ovat samanlaisia ​​kuin luonnollisissa sydämenlyönnissä, mikä antoi laitteelle elottomamman pumppausrytmin.

Robottikäyttömekanismi tarjoaa tarvittavan paineprofiilin hybridisydämen väliseinälle. Käyttömekanismi muuttaa ohjaussignaalit fyysisiksi toimiksi järjestelmän sisällä. Tämä pehmeä robottitaistelumekanismi ei luota elektroniikkaan sydämenlyönnin synnyttämiseen. Sen sijaan se muuntaa itsenäisesti ja passiivisesti jatkuvan ilmapumpun jatkuvan virtauksen painepulsseiksi, jotka synnyttävät sydämen sykkeen hybridisydämelle.

Koko järjestelmä sisältää kuitenkin myös elektronisia komponentteja tehoa ja ohjausta varten, erityisesti tulevissa täysin implantoitavissa versioissa.

Toiminnallinen validointi

Hybridisydämen laboratoriotestit fysiologisissa olosuhteissa paljastivat, että laite jäljittelee ihmissydämen pumppausfysiologiaa ja sen vasen kammio pystyy pumppaamaan 5,7 litraa verta minuutissa (sydämen minuuttitilavuus) sykenopeudella 60 lyöntiä minuutissa. Koska vasemman kammion sydämen minuuttitilavuuden tulisi olla suurempi kuin oikean kammion, laitteen oikean kammion sydämen minuuttimäärä säädettiin 5 litraan minuutissa säätämällä oikean kammion ympärillä olevien johtojen pituutta.

Hybridisydäntä testattiin edelleen eläimillä implantoimalla laite kirurgisesti perikardiaaliseen tilaan. Laite vastasi kaikesta eläimen verenkierrosta 50 minuutin testijakson aikana.

Eläinkoke oli lyhytaikainen koe, ei pitkäaikainen implantti, joka antoi alustavan todisteen laitteen toiminnasta.In vivo.

Akuutissa eläinkokeissa sydämen minuuttitilavuus oli kuitenkin pienempi kuinin vitro(Noin 2,3 litraa minuutissa nopeudella 65 bpm), mikä kuvastaa laitteen alkuvaihetta, konseptin todistelua ja odotettuja teknisiä rajoituksia.

Tulokset osoittivat, että hybridisydämessä käytetty termoplastinen polyuretaanilla päällystetty nailonmateriaali on myrkytöntä, sillä on parantunut bioyhteensopivuus ja sillä on vahvoja antitrombogeenisia ominaisuuksia niiden supramolekyylisten pinnoitteiden ansiosta.

eläin jain vitroTestaus osoitti verihiutaleiden tarttuvuuden ja tromboosin merkittävän vähenemisen päällystämättömiin materiaaleihin verrattuna, mikä tukee pitkäaikaisen verensopivuuden mahdollistamista.

Laboratoriokokeissa ja eläinkokeissa hybridisydämien ohjaamiseen käytettiin avointa pneumaattista järjestelmää. Tulevaa kliinistä käyttöä varten on kuitenkin kehitetty täysin implantoitava suljettu nestekäyttöjärjestelmä. Tämä järjestelmä koostui istutetusta jatkuvavirtausilmapumpusta, ilmasäiliöstä ja pehmeästä robottikäyttöjärjestelmästä, joka oli kytketty väliseinään suljetussa kiertopiirissä.

Suljettu nestejärjestelmä integroitiin transkutaaniseen energiansiirtojärjestelmään (TET) sähköenergian toimittamiseksi langattomasti pumppuun. Potilaan iholle asetettu ulkoinen Tet-kela ylitti ihon alle istutetun sisäisen Tet-kierukan voiman, vaikka iho pysyi ehjänä.

Tämä lähestymistapa voi mahdollisesti vähentää infektioriskiä ja parantaa potilaiden elämänlaatua sallimalla heidän tilapäisesti irrottaa virtalähteestä ja ryhtyä toimiin, kuten suihkuun tai uimiseen.

Tämän suljetun nestejärjestelmän testaus paljasti, että kun jatkuvavirtauspumppua käytettiin, hybridisydän alkoi automaattisesti lyödä 35 lyöntiä minuutissa ja tuotti suhteellisen alhaisen sydämen minuuttimäärän verrattuna perinteiseen ajojärjestelmään.

Tämä rajoitus johtui alkukokeissa TET-järjestelmän käytettävissä olevasta tehosta, joka ei ollut perustavanlaatuinen este tekniikalle. Tutkimuksessa havaittiin, että syöttöenergian lisäämisen pitäisi parantaa sydämen minuuttitilavuutta, ja tutkijat työskentelevät parhaillaan tämän asian parissa.

Lisäksi hybridisydämellä oli adaptiivisia fysiologisia ominaisuuksia. Esi- ja jälkikuormitusherkkyys tarkoittaa, että hybridisydän voi säätää tehoaan vasteena verenpaineelle ja tilavuuksille luonnollisen sydämen tavoin. Tämä saavutetaan passiivisesti, jäljittelemällä Frank-Starling-mekanismia, jolloin sydän lisää tuotantoa vasteena lisääntyneelle täyttömäärälle ilman monimutkaisia ​​antureita tai elektroniikkaa.

Suunnittelu mahdollistaa myös laitteen yksilöllisen konfiguroinnin, esim. B. Changing the wire length and position tailored to individual patient requirements.

Vaikka konseptin todistaminen on lupaavaa, työ on vielä lapsenkengissään. Laite rakennettiin prototyyppimateriaaleille lääketieteellisten komponenttien sijaan, ja tekniikan turvallisuuden, kestävyyden ja suorituskyvyn täydelliseksi validoimiseksi tarvitaan pitkäaikaisia ​​eläinkokeita.

Ennen kliinistä käyttöä kaikki keskeiset komponentit, mukaan lukien täysin implantoitava versio ja kudostekniikan pinnoitteet, vaativat laajan lisätestauksen, mukaan lukien pitkäaikaiset eläintutkimukset.

Merkitys

Tutkimus tarjoaa ensimmäisen todisteen siitä, että pehmeät robottitekniikat voivat menestyksekkäästi kehittää bioyhteensopivan tekosydämen, joka voi tuottaa riittävän sydämen minuuttimäärän fysiologisissa olosuhteissa.

Tutkimuksessa kehitetty hybridisydän voi voittaa tällä hetkellä saatavilla olevien tekosydämien puutteet ja mahdollisesti tarjota sekä antitrombogeenisiä pintoja että tukea kudosten integraatiolle.

Esimerkiksi tulevaisuudessa pinnoitusteknologiaa voitaisiin kehittää edelleen sisältämään molekyylejä, jotka aktiivisesti rohkaisevat kehon soluja kolonisoimaan laitteen ja muodostamaan toimivan sisävuoren. Tämä kaksoislähestymistapa vähentää veren hyytymistä ja tukea kehon kudosten integraatiota voi vähentää elinikäisen antikoagulaatiohoidon tarvetta.

Vaikka hybridisydän ei ole vielä valmis kliiniseen käyttöön ja vaatii perusteellista lisätestausta ja optimointia, se osoittaa, kuinka pehmeä robotiikka ja biomimeettinen suunnittelu voivat tarjota turvallisempia, toimivampia ja mukautuvampia tekosydämiä niille, joilla on myöhäinen sydämen vajaatoiminta.

Lataa PDF-kopiosi nyt!

Lähteet: