Une robotique douce révolutionnaire pourrait redéfinir la technologie du cœur artificiel

Une robotique douce révolutionnaire pourrait redéfinir la technologie du cœur artificiel

Un cœur robotique mou révolutionnaire pourrait transformer le traitement de l’insuffisance cardiaque terminale et nous rapprocher plus que jamais d’organes artificiels biocompatibles pleinement fonctionnels.

Étude : Un cœur hybride artificiel mou. Crédit photo : Africa Studio/Shutterstock.com

Les chercheurs ont développé un cœur hybride artificiel total grâce à la robotique douce qui peut ouvrir de nouveaux horizons dans le domaine de l'insuffisance cardiaque et de la médecine de transplantation. L'article contenant la première preuve de concept de cette nouvelle découverte est publié dans la revueCommunication naturelle.

arrière-plan

L’insuffisance cardiaque terminale est associée à un taux de mortalité élevé. La maladie peut être traitée par transplantation cardiaque ; Cependant, l’indisponibilité des cœurs donneurs constitue le principal inconvénient. Cette limitation a conduit au développement de cœurs artificiels totaux et de dispositifs d’assistance ventriculaire gauche.

Ces dispositifs artificiels ont une mauvaise biocompatibilité car les matériaux utilisés pour les concevoir ne proviennent pas du corps du patient. De plus, ces appareils ne fonctionnent pas physiquement pour faire circuler le sang dans tout le corps. Ces facteurs peuvent induire la formation de caillots sanguins, pouvant par la suite entraîner des complications liées à la circulation sanguine.

Les dispositifs de propulsion percutanée, qui sont nécessaires pour alimenter et connecter les appareils cardiaques actuellement disponibles à une source externe, présentent un risque élevé d'infection et ont un impact significatif sur la qualité de vie d'un patient. Ces complications limitent actuellement l'utilisation clinique de l'ensemble des artistes actuellement disponibles.

Dans la présente étude, les chercheurs ont développé un artiste total hybride dans lequel la puissance de la pompe provient de la robotique douce pour faire progresser physiologiquement le sang. Ils ont appelé l’appareil un « cœur hybride ».

Coeur hybride – conception et principe de fonctionnement

Les chercheurs ont conçu cette nouvelle génération d’artistes totaux avec l’idée que l’appareil devrait imiter la structure et la fonction du cœur humain. Le cœur humain possède deux chambres, les ventricules gauche et droit, qui sont séparées par un septum (une cloison). La contraction synchrone des ventricules et du septum entraîne l'expulsion du sang des ventricules circulants.

Comme le cœur humain, le cœur hybride contient deux chambres artificielles séparées par un muscle pneumatique mou (septum). Les ventricules et le septum sont en nylon recouvert de polyuréthane thermoplastique. Notamment, la conception comprend également plusieurs fils non détaillés disposés en boucle fermée qui jouent un rôle clé en imitant les contractions coordonnées du cœur en répartissant les forces dans les deux ventricules.

Des revêtements supramoléculaires sont appliqués sur le matériau en nylon thermoplastique recouvert de polyuréthane pour améliorer la biocompatibilité.

Une pression d'air positive ou négative est utilisée pour gonfler et dégonfler le septum. À mesure que le septum se gonfle pendant la systole, son diamètre intérieur augmente, ce qui permet d'enrouler davantage de fil autour de lui. Cela comprime les ventricules pour éjecter le sang comme un cœur naturel. Lorsque le septum se vide pendant la diastole, les ventricules se remplissent passivement.

La longueur spécifique et le nombre de fils autour de chaque ventricule peuvent être ajustés pour modifier le débit cardiaque de chaque chambre, adaptant ainsi les exigences aux exigences de différentes conditions physiologiques ou maladies. Cette possibilité de réglage pourrait être importante pour adapter le dispositif aux besoins individuels des patients, par exemple en cas d'hypertension pulmonaire.

Lors des premiers essais, le système robotique logiciel a démontré sa capacité à générer des courbes de pression similaires à celles des battements cardiaques naturels, donnant à l'appareil un rythme de pompage plus sans vie.

Un mécanisme d'actionnement robotique fournit le profil de pression requis pour le septum du cœur hybride. Le mécanisme d'actionnement traduit les signaux de commande en actions physiques au sein d'un système. Ce mécanisme de combat robotique souple ne repose pas sur l'électronique pour générer un battement de cœur. Au lieu de cela, il convertit de manière autonome et passive le débit constant d’une pompe à air continue en impulsions de pression qui génèrent le battement de cœur du cœur hybride.

Cependant, le système global comprend également des composants électroniques pour l'alimentation et le contrôle, en particulier dans les futures versions entièrement implantables.

Validation fonctionnelle

Les tests en laboratoire du cœur hybride dans des conditions physiologiques ont révélé que l'appareil imite la physiologie de pompage du cœur humain et que son ventricule gauche peut pomper 5,7 litres de sang par minute (débit cardiaque) à une fréquence cardiaque de 60 battements par minute. Étant donné que le débit cardiaque du ventricule gauche doit être supérieur à celui du ventricule droit, le débit cardiaque du ventricule droit du dispositif a été ajusté à 5 litres par minute en ajustant la longueur des fils autour du ventricule droit.

Le cœur hybride a ensuite été testé sur des animaux en implantant chirurgicalement le dispositif dans l'espace péricardique. L'appareil était responsable de tout le flux sanguin des animaux pendant une période de test de 50 minutes.

Le test sur les animaux était une expérience à court terme et non un implant à long terme, fournissant une première preuve de concept du fonctionnement du dispositif.In vivo.

Cependant, lors du test de toxicité aiguë sur les animaux, le débit cardiaque était inférieur àin vitro(Environ 2,3 litres par minute à 65 bpm), reflétant le stade précoce du dispositif, la nature de la preuve de concept et les limitations techniques attendues.

Les résultats ont montré que le matériau en nylon thermoplastique recouvert de polyuréthane utilisé dans le cœur hybride est non toxique, présente une biocompatibilité améliorée et possède de fortes propriétés antithrombogènes grâce à ses revêtements supramoléculaires.

des animaux etin vitroLes tests ont montré une réduction significative de l’adhésion plaquettaire et de la thrombose par rapport aux matériaux non revêtus, confirmant le potentiel de compatibilité sanguine à long terme.

Lors d'expériences en laboratoire et sur des animaux, un système pneumatique ouvert a été utilisé pour actionner les cœurs hybrides. Cependant, un système d’entraînement fluidique fermé et entièrement implantable a été développé pour une utilisation clinique future. Ce système se composait d'une pompe à air à débit continu implantée, d'un réservoir d'air et d'un système d'actionnement robotique souple connecté au septum dans une boucle de circulation fermée.

Le système fluidique fermé a été intégré dans un système de transfert d'énergie transcutané (TET) pour fournir sans fil de l'énergie électrique à la pompe. La bobine Tet externe placée sur la peau du patient dépassait la force de la bobine Tet interne implantée par voie sous-cutanée tandis que la peau restait intacte.

Cette approche peut potentiellement réduire le risque d'infection et améliorer la qualité de vie des patients en leur permettant de se déconnecter temporairement d'une source d'alimentation et de participer à des activités telles que prendre une douche ou nager.

Les tests de ce système fluidique fermé ont révélé que lorsque la pompe à débit continu était alimentée, le cœur hybride commençait automatiquement à battre à une fréquence cardiaque de 35 bpm et produisait un débit cardiaque relativement faible par rapport à celui produit par le système d'entraînement conventionnel.

Cette limitation a été attribuée dans les premières expériences à la puissance disponible du système TET, qui ne constituait pas un obstacle fondamental à la technologie. La recherche a révélé qu’une augmentation de l’énergie d’entrée devrait améliorer le débit cardiaque, et les chercheurs y travaillent actuellement.

De plus, le cœur hybride a démontré des propriétés physiologiques adaptatives. La sensibilité de précharge et de postcharge signifie que le cœur hybride peut ajuster sa sortie en réponse à la pression artérielle et aux volumes, comme un cœur naturel. Ceci est réalisé de manière passive, imitant le mécanisme de Frank-Starling, par lequel le cœur augmente sa production en réponse à un remplissage accru, sans avoir recours à des capteurs ou à des composants électroniques complexes.

La conception permet également une configuration individuelle de l'appareil, par ex. B. Modification de la longueur et de la position du fil en fonction des besoins individuels du patient.

Bien que la preuve de concept soit prometteuse, le travail en est encore à ses balbutiements. Le dispositif a été construit sur des matériaux de prototypage plutôt que sur des composants de qualité médicale, et des études animales à long terme seront nécessaires pour valider pleinement la sécurité, la durabilité et les performances de la technologie.

Avant l'utilisation clinique, tous les composants clés, y compris la version entièrement implantable et les revêtements d'ingénierie tissulaire, nécessitent des tests approfondis et approfondis, y compris des études à long terme sur les animaux.

Signification

L'étude fournit la première preuve que les techniques de robotique douce peuvent développer avec succès un cœur artificiel biocompatible capable de fournir un débit cardiaque adéquat dans des conditions physiologiques.

Le cœur hybride développé dans le cadre de l’étude peut surmonter les lacunes des cœurs artificiels totaux actuellement disponibles et potentiellement fournir à la fois des surfaces antithrombogènes et un soutien à l’intégration tissulaire.

Par exemple, à l'avenir, la technologie de revêtement pourrait être développée davantage pour inclure des molécules qui encouragent activement les cellules du corps à coloniser l'appareil et à former une doublure intérieure fonctionnelle. Cette double approche visant à réduire la coagulation sanguine et à favoriser l'intégration des tissus du corps pourrait réduire le besoin d'un traitement anticoagulant à vie.

Bien que le cœur hybride ne soit pas encore prêt pour une utilisation clinique et nécessite des tests et une optimisation plus approfondis, il montre comment la robotique douce et l’ingénierie biomimétique peuvent fournir des cœurs artificiels plus sûrs, fonctionnels et plus adaptables aux personnes souffrant d’insuffisance cardiaque à un stade avancé.

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Sources :