Az áttörő puha robotika újradefiniálhatja a mesterséges szívtechnológiát

Az áttörő puha robotika újradefiniálhatja a mesterséges szívtechnológiát

Az úttörő, puha robotszív átalakíthatja a végstádiumú szívelégtelenség kezelését, és minden eddiginél közelebb visz bennünket a teljesen működő, biokompatibilis mesterséges szervekhez.

Tanulmány: Egy lágy mesterséges hibrid szív. Fotó: Africa Studio/Shutterstock.com

A kutatók egy teljes mesterséges hibrid szívet fejlesztettek ki lágy robotikával, amely új távlatokat nyithat a szívelégtelenség és a transzplantációs gyógyászat területén. A folyóiratban megjelenik az újszerű felfedezés koncepciójának első bizonyítékát tartalmazó cikkA természet kommunikációja.

háttér

A végstádiumú szívelégtelenség magas halálozási aránnyal jár. A betegség szívátültetéssel kezelhető; A fő hátrány azonban a donorszívek elérhetetlensége. Ez a korlátozás a teljes mesterséges szív és a bal kamrai segédeszközök kifejlesztéséhez vezetett.

Ezek a mesterséges eszközök rossz biokompatibilitásúak, mivel a tervezésükhöz használt anyagok nem a páciens testéből származnak. Ezenkívül ezek az eszközök fizikailag nem működnek a vér keringtetésében a testben. Ezek a tényezők vérrögképződést válthatnak ki, ami ezt követően a véráramlással kapcsolatos szövődményekhez vezethet.

A perkután propulziós eszközök, amelyek a jelenleg elérhető kardiális eszközök tápellátásához és külső forráshoz való csatlakoztatásához szükségesek, nagy fertőzésveszélyt jelentenek, és jelentősen befolyásolják a páciens életminőségét. Ezek a szövődmények jelenleg korlátozzák a jelenleg elérhető összes művész klinikai alkalmazását.

A jelenlegi tanulmányban a kutatók egy hibrid totális művészt fejlesztettek ki, amelyben a pumpa teljesítménye puha robotikából származik, hogy fiziológiailag előmozdítsa a vért. Az eszközt „hibrid szívnek” nevezték.

Hibrid szív – kialakítás és működési elv

A kutatók úgy tervezték meg a teljes művészek új generációját, hogy az eszköznek az emberi szív szerkezetét és működését kell utánoznia. Az emberi szívnek két kamrája van, a bal és a jobb kamra, amelyeket septum (válaszfal) választ el. A kamrák és a septum szinkron összehúzódása azt eredményezi, hogy a vér kiürül a keringő kamrákból.

Az emberi szívhez hasonlóan a hibrid szív is két mesterséges kamrát tartalmaz, amelyeket egy puha pneumatikus izom (septum) választ el egymástól. A kamrák és a szeptum hőre lágyuló poliuretánnal bevont nylonból készülnek. Nevezetesen, a kialakítás több, nem részletezhető vezetéket is tartalmaz zárt hurokba rendezve, amelyek kulcsszerepet játszanak a szív koordinált összehúzódásainak utánzásában az erők mindkét kamra közötti elosztásával.

A hőre lágyuló, poliuretánnal bevont nylon anyagra szupramolekuláris bevonatokat visznek fel a biokompatibilitás javítása érdekében.

Pozitív vagy negatív légnyomást használnak a szeptum felfújására és leeresztésére. Ahogy a septum felfújódik a szisztolé alatt, a belső átmérője növekszik, így több huzal tekerhető köré. Ez összenyomja a kamrákat, hogy vért lövelljen ki, mint egy természetes szív. Ahogy a septum kiürül a diasztolé alatt, a kamrák passzívan újratöltődnek.

Az egyes kamrák körüli vezetékek specifikus hossza és száma beállítható az egyes kamrák perctérfogatának megváltoztatásához, ezáltal a követelmények a különböző fiziológiai állapotok vagy betegségek követelményeihez igazíthatók. Ez a beállíthatóság fontos lehet ahhoz, hogy a készüléket az egyéni páciensek igényeihez igazítsák, például pulmonális hipertónia esetén.

A korai kísérletek során a puha robotrendszer bebizonyította, hogy képes a természetes szívverésekhez hasonló nyomásgörbék létrehozására, így az eszköz élettelenebb pumpálási ritmust biztosít.

Egy robotizált működtető mechanizmus biztosítja a szükséges nyomásprofilt a hibrid szív septumához. A működtető mechanizmus a vezérlőjeleket fizikai műveletekké alakítja át a rendszeren belül. Ez a puha robot harci mechanizmus nem támaszkodik elektronikára a szívverés generálásához. Ehelyett önállóan és passzívan alakítja át a folyamatos légszivattyú állandó áramlását nyomásimpulzusokká, amelyek generálják a szívverést a hibrid szív számára.

A teljes rendszer azonban elektronikus alkatrészeket is tartalmaz az energiaellátáshoz és a vezérléshez, különösen a jövőbeni teljesen beültethető változatokban.

Funkcionális érvényesítés

A hibrid szív fiziológiás körülmények között végzett laboratóriumi vizsgálata során kiderült, hogy a készülék az emberi szív pumpálási fiziológiáját utánozza, és annak bal kamrája percenként 5,7 liter vért (termékteljesítményt) képes 60 ütés/perc pulzusszámmal pumpálni. Mivel a bal kamra perctérfogatának magasabbnak kell lennie, mint a jobb kamráé, a készülék jobb kamrai perctérfogatát 5 liter/perc értékre állítottuk a jobb kamra körüli vezetékek hosszának beállításával.

A hibrid szívet további állatokon tesztelték úgy, hogy az eszközt sebészeti úton ültették be a perikardiális térbe. Az 50 perces tesztidőszak alatt a készülék felelt az állatok összes véráramlásáért.

Az állatkísérlet egy rövid távú kísérlet volt, nem pedig egy hosszú távú beültetés, amely kezdeti bizonyítékot szolgáltatott az eszköz működésére.In vivo.

Az akut állatkísérletben azonban a perctérfogat alacsonyabb volt, mintin vitro(körülbelül 2,3 liter/perc 65 bpm-nél), ami tükrözi a készülék korai szakaszát, a koncepció próbáját és a várható műszaki korlátokat.

Az eredmények azt mutatták, hogy a hibrid szívben használt hőre lágyuló poliuretán bevonatú nylon anyag nem mérgező, jobb a biokompatibilitása, és a szupramolekuláris bevonatoknak köszönhetően erős antitrombogén tulajdonságokkal rendelkezik.

állat ésin vitroA tesztek a vérlemezkék tapadásának és trombózisának jelentős csökkenését mutatták ki a bevonat nélküli anyagokhoz képest, ami alátámasztja a vérrel való hosszú távú kompatibilitás lehetőségét.

Laboratóriumi és állatkísérletek során nyitott pneumatikus rendszert alkalmaztak a hibrid szívek működtetésére. A jövőbeni klinikai felhasználásra azonban egy teljesen beültethető, zárt folyadékhajtási rendszert fejlesztettek ki. Ez a rendszer egy beültetett folyamatos áramlású levegőszivattyúból, egy légtartályból és egy lágy, robotizált működtetőrendszerből állt, amely zárt keringető hurokban csatlakozik a szeptumhoz.

A zárt folyadékrendszert egy transzkután energiaátviteli (TET) rendszerbe integrálták, hogy vezeték nélkül biztosítsák az elektromos energiát a szivattyúnak. A páciens bőrére helyezett külső Tet-tekercs meghaladta a szubkután beültetett belső Tet-tekercs erejét, miközben a bőr sértetlen maradt.

Ez a megközelítés potenciálisan csökkentheti a fertőzés kockázatát és javíthatja a betegek életminőségét azáltal, hogy lehetővé teszi számukra, hogy átmenetileg lekapcsolják az áramforrást, és olyan tevékenységeket végezzenek, mint a zuhanyozás vagy az úszás.

Ennek a zárt folyadékrendszernek a tesztelése feltárta, hogy a folyamatos áramlású szivattyú működtetésekor a hibrid szív automatikusan 35 bpm-es pulzusszámmal kezdett verni, és viszonylag alacsony perctérfogatot produkált a hagyományos meghajtó rendszerhez képest.

Ezt a korlátot a kezdeti kísérletekben a TET-rendszer rendelkezésre álló teljesítményének tulajdonították, amely nem volt alapvető akadálya a technológia számára. A kutatás megállapította, hogy a bemeneti energia növelése javítja a perctérfogatot, és a kutatók jelenleg is dolgoznak ezen.

Ezenkívül a hibrid szív adaptív fiziológiai tulajdonságokat mutatott. Az elő- és utóterhelési érzékenység azt jelenti, hogy a hibrid szív a természetes szívhez hasonlóan a vérnyomás és a térfogatok függvényében állíthatja be teljesítményét. Ezt passzívan érik el, a Frank-Starling-mechanizmust utánozva, ahol a szív növeli a termelést a megnövekedett töltés hatására, anélkül, hogy bonyolult érzékelőkre vagy elektronikára lenne szükség.

A kialakítás lehetővé teszi a készülék egyedi konfigurációját is, pl. B. A vezeték hosszának és pozíciójának megváltoztatása a páciens egyéni igényei szerint.

Bár a koncepció bizonyítása ígéretes, a munka még gyerekcipőben jár. Az eszköz prototípus-anyagokra épült, nem pedig orvosi minőségű alkatrészekre, és további hosszú távú állatkísérletekre lesz szükség a technológia biztonságának, tartósságának és teljesítményének teljes körű validálásához.

A klinikai használat előtt minden kulcsfontosságú komponens, beleértve a teljesen beültethető változatot és a szövetmérnöki bevonatokat is, kiterjedt további tesztelést igényel, beleértve a hosszú távú állatkísérleteket is.

Jelentése

A tanulmány az első bizonyíték arra, hogy a soft robot technikákkal sikeresen lehet olyan biokompatibilis mesterséges szívet kifejleszteni, amely fiziológiás körülmények között megfelelő perctérfogatot biztosít.

A tanulmányban kifejlesztett hibrid szív képes kiküszöbölni a jelenleg rendelkezésre álló teljes mesterséges szív hiányosságait, és potenciálisan antitrombogén felületeket és támogatást nyújt a szöveti integrációhoz.

Például a jövőben tovább lehetne fejleszteni a bevonat technológiáját, hogy olyan molekulákat is magában foglaljon, amelyek aktívan ösztönzik a test sejtjeit az eszköz megtelepedésére és funkcionális belső bélés kialakítására. Ez a kettős megközelítés a véralvadás csökkentésére és a szervezet szöveti integrációjának támogatására csökkentheti az egész életen át tartó antikoaguláns terápia szükségességét.

Bár a hibrid szív még nem áll készen a klinikai használatra, és további alapos tesztelést és optimalizálást igényel, megmutatja, hogy a lágy robotika és a biomimetikai mérnöki tervezés hogyan biztosíthat biztonságosabb, működőképes és jobban alkalmazkodó műszíveket a késői stádiumú szívelégtelenségben szenvedők számára.

Töltse le PDF másolatát most!

Források: