Revolucionarna meka robotika mogla bi redefinirati tehnologiju umjetnog srca

Revolucionarna meka robotika mogla bi redefinirati tehnologiju umjetnog srca

Revolucionarno meko robotsko srce moglo bi transformirati liječenje završnog stadija zatajenja srca i dovesti nas bliže nego ikad potpuno funkcionalnim, biokompatibilnim umjetnim organima.

Studija: meko umjetno hibridno srce. Autor fotografije: Africa Studio/Shutterstock.com

Istraživači su mekom robotikom razvili potpuno umjetno hibridno srce koje može otvoriti nove horizonte u medicini zatajenja srca i transplantacije. Članak koji sadrži prvi dokaz koncepta ovog novog otkrića objavljen je u časopisuKomunikacija s prirodom.

pozadina

Završni stadij zatajenja srca povezan je s visokom stopom smrtnosti. Bolest se može liječiti transplantacijom srca; Međutim, nedostupnost donorskih srca glavni je nedostatak. Ovo ograničenje dovelo je do razvoja potpunih umjetnih srca i uređaja za pomoć lijevom ventrikulu.

Ovi umjetni uređaji imaju lošu biokompatibilnost jer materijali korišteni za njihov dizajn nisu dobiveni iz tijela pacijenta. Osim toga, ti uređaji fizički ne rade na cirkuliranju krvi kroz tijelo. Ovi čimbenici mogu potaknuti stvaranje krvnog ugruška, što kasnije može dovesti do komplikacija povezanih s protokom krvi.

Perkutani pogonski uređaji, koji su potrebni za napajanje i povezivanje trenutno dostupnih srčanih uređaja s vanjskim izvorom, imaju visok rizik od infekcije i značajno utječu na kvalitetu života pacijenata. Ove komplikacije trenutačno ograničavaju kliničku upotrebu ukupno dostupnih umjetnika.

U trenutnoj studiji, istraživači su razvili hibridnog potpunog umjetnika u kojem snaga pumpe dolazi od meke robotike za fiziološki napredak krvi. Uređaj su nazvali "hibridno srce".

Hibridno srce – dizajn i princip rada

Istraživači su osmislili ovu novu generaciju totalnih umjetnika s idejom da uređaj treba oponašati strukturu i funkciju ljudskog srca. Ljudsko srce ima dvije komore, lijevu i desnu klijetku, koje su odvojene pregradom (pregradom). Sinkrona kontrakcija ventrikula i septuma rezultira izbacivanjem krvi iz cirkulirajućih ventrikula.

Poput ljudskog srca, hibridno srce sadrži dvije umjetne komore odvojene mekim pneumatskim mišićem (septumom). Ventrikuli i septum izrađeni su od najlona obloženog termoplastičnim poliuretanom. Značajno, dizajn također uključuje više žica bez detalja raspoređenih u zatvorenu petlju koje igraju ključnu ulogu u oponašanju koordiniranih kontrakcija srca raspoređivanjem sila na obje klijetke.

Supramolekularni premazi nanose se na najlonski materijal presvučen termoplastičnim poliuretanom kako bi se poboljšala biokompatibilnost.

Za napuhavanje i ispuhavanje septuma koristi se pozitivan ili negativan tlak zraka. Kako se septum napuhuje tijekom sistole, njegov unutarnji promjer se povećava, dopuštajući više žice da se omota oko njega. Ovo stišće ventrikule da izbace krv poput prirodnog srca. Kako se septum prazni tijekom dijastole, ventrikuli se ponovno pasivno pune.

Specifična duljina i broj žica oko svake komore mogu se podesiti kako bi se promijenio minutni volumen svake komore, čime se zahtjevi prilagođavaju zahtjevima različitih fizioloških stanja ili bolesti. Ova mogućnost podešavanja može biti važna za prilagodbu uređaja individualnim zahtjevima bolesnika, na primjer kod plućne hipertenzije.

U ranim ispitivanjima, meki robotski sustav pokazao je sposobnost generiranja krivulja tlaka sličnih onima u prirodnim otkucajima srca, dajući uređaju beživotniji ritam pumpanja.

Robotski pokretački mehanizam osigurava potreban profil pritiska za septum hibridnog srca. Mehanizam za aktiviranje prevodi upravljačke signale u fizičke radnje unutar sustava. Ovaj meki robotski borbeni mehanizam ne oslanja se na elektroniku za generiranje otkucaja srca. Umjesto toga, autonomno i pasivno pretvara stalni protok kontinuirane zračne pumpe u impulse pritiska koji generiraju otkucaje srca za hibridno srce.

Međutim, cjelokupni sustav također uključuje elektroničke komponente za napajanje i kontrolu, posebno u budućim potpuno implantabilnim verzijama.

Funkcionalna validacija

Laboratorijsko testiranje hibridnog srca u fiziološkim uvjetima otkrilo je da uređaj oponaša fiziologiju pumpanja ljudskog srca, a njegova lijeva klijetka može pumpati 5,7 litara krvi u minuti (minutni volumen srca) pri brzini otkucaja srca od 60 otkucaja u minuti. Budući da bi srčani izlazni volumen lijeve klijetke trebao biti veći od desnog ventrikula, minutni volumen desne klijetke uređaja podešen je na 5 litara u minuti podešavanjem duljine žica oko desne klijetke.

Hibridno srce dodatno je testirano na životinjama kirurškom ugradnjom uređaja u perikardijalni prostor. Uređaj je bio odgovoran za cjelokupni protok krvi životinja tijekom testnog perioda od 50 minuta.

Test na životinjama bio je kratkotrajni eksperiment, a ne dugotrajni implantat, koji je dao početni dokaz koncepta za funkciju uređajaIn vivo.

Međutim, u akutnom testu na životinjama, minutni volumen srca bio je manji odin vitro(Otprilike 2,3 litre u minuti pri 65 otkucaja u minuti), što odražava ranu fazu uređaja, prirodu dokaza o konceptu i očekivana tehnička ograničenja.

Rezultati su pokazali da je termoplastični najlonski materijal obložen poliuretanom koji se koristi u hibridnom srcu netoksičan, ima poboljšanu biokompatibilnost i ima jaka antitrombogena svojstva zbog svojih supramolekularnih premaza.

životinja iin vitroIspitivanje je pokazalo značajno smanjenje adhezije trombocita i tromboze u usporedbi s neobloženim materijalima, podupirući potencijal dugoročne kompatibilnosti krvi.

U laboratorijskim pokusima i pokusima na životinjama korišten je otvoreni pneumatski sustav za pokretanje hibridnih srca. Međutim, za buduću kliničku upotrebu razvijen je potpuno implantabilan, zatvoreni fluidni pogonski sustav. Taj se sustav sastojao od implantirane zračne pumpe kontinuiranog protoka, spremnika zraka i mekog robotskog aktivacijskog sustava povezanog sa septumom u zatvorenoj cirkulacijskoj petlji.

Zatvoreni tekućinski sustav integriran je u sustav transkutanog prijenosa energije (TET) za bežičnu opskrbu električne energije pumpi. Vanjska Tet zavojnica postavljena na pacijentovu kožu premašila je silu u potkožno ugrađenoj unutarnjoj Tet zavojnici dok je koža ostala netaknuta.

Ovaj pristup potencijalno može smanjiti rizik od infekcije i poboljšati kvalitetu života pacijenata dopuštajući im da se privremeno odspoje s izvora napajanja i uključe u aktivnosti poput tuširanja ili plivanja.

Testiranje ovog zatvorenog fluidnog sustava otkrilo je da kada je pumpa kontinuiranog protoka bila uključena, hibridno srce je automatski počelo kucati pri brzini otkucaja srca od 35 otkucaja u minuti i proizvodilo relativno nizak minutni volumen u usporedbi s onim koji proizvodi konvencionalni sustav vožnje.

Ovo ograničenje pripisano je u početnim eksperimentima dostupnoj snazi ​​TET sustava, što nije bila temeljna prepreka tehnologiji. Istraživanje je pokazalo da bi povećanje ulazne energije trebalo poboljšati srčani učinak, a istraživači trenutno rade na tome.

Nadalje, hibridno srce pokazalo je adaptivna fiziološka svojstva. Osjetljivost predopterećenja i naknadnog opterećenja znači da hibridno srce može prilagoditi svoj učinak kao odgovor na krvni tlak i volumen poput prirodnog srca. To se postiže pasivno, oponašajući Frank-Starlingov mehanizam, pri čemu srce povećava proizvodnju kao odgovor na povećano punjenje, bez potrebe za složenim senzorima ili elektronikom.

Dizajn također omogućuje individualnu konfiguraciju uređaja, npr. B. Promjena duljine i položaja žice prema individualnim zahtjevima pacijenta.

Iako je dokaz koncepta obećavajući, rad je još uvijek u povojima. Uređaj je izgrađen na materijalima za izradu prototipa, a ne na medicinskim komponentama, a bit će potrebna daljnja dugotrajna istraživanja na životinjama kako bi se u potpunosti potvrdila sigurnost, trajnost i učinkovitost tehnologije.

Prije kliničke uporabe, sve ključne komponente, uključujući potpuno implantabilnu verziju i prevlake tkivnog inženjeringa, zahtijevaju opsežna daljnja ispitivanja, uključujući dugoročne studije na životinjama.

Značenje

Studija pruža prvi dokaz da se tehnikama mekog robota može uspješno razviti biokompatibilno umjetno srce koje može isporučiti adekvatan minutni volumen srca u fiziološkim uvjetima.

Hibridno srce razvijeno u studiji može prevladati nedostatke trenutno dostupnih potpunih umjetnih srca i potencijalno pružiti i antitrombogene površine i podršku za integraciju tkiva.

Na primjer, u budućnosti bi se tehnologija premaza mogla dalje razvijati kako bi uključila molekule koje aktivno potiču tjelesne stanice da koloniziraju uređaj i formiraju funkcionalnu unutarnju oblogu. Ovaj dvostruki pristup smanjenju zgrušavanja krvi i podržavanju integracije tjelesnog tkiva mogao bi smanjiti potrebu za doživotnom terapijom antikoagulantima.

Iako hibridno srce još nije spremno za kliničku upotrebu i zahtijeva daljnje temeljito testiranje i optimizaciju, pokazuje kako meka robotika i biomimetički inženjering mogu pružiti sigurnija, funkcionalnija i prilagodljivija umjetna srca za one u kasnom stadiju zatajenja srca.

Preuzmite svoju PDF kopiju sada!

Izvori: