Proveržis minkšta robotika galėtų iš naujo apibrėžti dirbtinės širdies technologiją

Proveržis minkšta robotika galėtų iš naujo apibrėžti dirbtinės širdies technologiją

Novatoriška minkšta robotizuota širdis gali pakeisti galutinės stadijos širdies nepakankamumo gydymą ir priartinti mus prie visiškai veikiančių, biologiškai suderinamų dirbtinių organų.

Tyrimas: minkšta dirbtinė hibridinė širdis. Nuotraukų kreditas: Africa Studio / Shutterstock.com

Tyrėjai sukūrė visiškai dirbtinę hibridinę širdį, naudodami minkštą robotiką, kuri gali atverti naujus širdies nepakankamumo ir transplantacijos medicinos horizontus. Straipsnis, kuriame yra pirmasis šio naujojo atradimo koncepcijos įrodymas, publikuojamas žurnaleGamtos bendravimas.

fone

Galutinės stadijos širdies nepakankamumas yra susijęs su dideliu mirtingumu. Liga pagydoma persodinus širdį; Tačiau pagrindinis trūkumas yra donorų širdžių neprieinamumas. Dėl šio apribojimo buvo sukurtos visos dirbtinės širdies ir kairiojo skilvelio pagalbiniai prietaisai.

Šių dirbtinių prietaisų biologinis suderinamumas yra prastas, nes jiems sukurti naudojamos medžiagos nėra gautos iš paciento kūno. Be to, šie prietaisai fiziškai neveikia, kad kraujas cirkuliuotų visame kūne. Šie veiksniai gali sukelti kraujo krešulių susidarymą, o tai vėliau gali sukelti komplikacijų, susijusių su kraujotaka.

Perkutaniniai varomieji įtaisai, reikalingi šiuo metu turimiems širdies prietaisams maitinti ir prijungti prie išorinio šaltinio, turi didelę infekcijos riziką ir daro didelę įtaką paciento gyvenimo kokybei. Šios komplikacijos šiuo metu riboja visų šiuo metu turimų menininkų klinikinį naudojimą.

Dabartiniame tyrime mokslininkai sukūrė hibridinį totalinį menininką, kurio siurblio galia gaunama iš minkštos robotikos, kad fiziologiškai pagerintų kraują. Jie pavadino prietaisą „hibridine širdimi“.

Hibridinė širdis – dizainas ir veikimo principas

Tyrėjai sukūrė šią naujos kartos menininkų idėją, kad prietaisas turėtų imituoti žmogaus širdies struktūrą ir funkciją. Žmogaus širdyje yra dvi kameros – kairysis ir dešinysis skilveliai, kuriuos skiria pertvara (pertvara). Dėl sinchroninio skilvelių ir pertvaros susitraukimo kraujas išstumiamas iš cirkuliuojančių skilvelių.

Kaip ir žmogaus širdyje, hibridinėje širdyje yra dvi dirbtinės kameros, atskirtos minkštu pneumatiniu raumeniu (pertvara). Skilveliai ir pertvara pagaminti iš nailono, padengto termoplastiniu poliuretanu. Pažymėtina, kad konstrukcijoje taip pat yra keletas neišsamių laidų, išdėstytų uždaroje kilpoje, kurie atlieka pagrindinį vaidmenį imituojant koordinuotus širdies susitraukimus, paskirstydami jėgas abiejuose skilveliuose.

Termoplastiniu poliuretanu dengtos nailono medžiagos padengiamos supermolekulinės dangos, siekiant pagerinti biologinį suderinamumą.

Teigiamas arba neigiamas oro slėgis naudojamas pertvarai pripūsti ir ištuštinti. Kai pertvara išsipučia sistolės metu, jos vidinis skersmuo didėja, todėl aplink ją gali būti apvyniota daugiau vielos. Tai išspaudžia skilvelius, kad išstumtų kraują kaip natūrali širdis. Kai diastolės metu pertvara ištuštėja, skilveliai pasyviai prisipildo.

Konkretus laidų ilgis ir skaičius aplink kiekvieną skilvelį gali būti reguliuojami, kad būtų pakeistas kiekvienos kameros širdies tūris, taip priderinant reikalavimus prie skirtingų fiziologinių sąlygų ar ligų. Šis reguliavimas gali būti svarbus norint pritaikyti prietaisą prie individualių paciento poreikių, pavyzdžiui, sergant plautine hipertenzija.

Ankstyvųjų bandymų metu minkšta robotų sistema parodė gebėjimą generuoti slėgio kreives, panašias į natūralių širdies plakimų, suteikdama įrenginiui negyvesnį siurbimo ritmą.

Robotas veikiantis mechanizmas užtikrina reikiamą slėgio profilį hibridinės širdies pertvarai. Įjungimo mechanizmas valdymo signalus paverčia fiziniais veiksmais sistemoje. Šis minkštas robotas kovos mechanizmas nesiremia elektronika, kad generuotų širdies plakimą. Vietoj to, jis autonomiškai ir pasyviai konvertuoja nuolatinį nuolatinio oro siurblio srautą į slėgio impulsus, kurie generuoja širdies plakimą hibridinei širdžiai.

Tačiau visa sistema taip pat apima elektroninius maitinimo ir valdymo komponentus, ypač būsimose visiškai implantuojamose versijose.

Funkcinis patvirtinimas

Laboratorinis hibridinės širdies tyrimas fiziologinėmis sąlygomis atskleidė, kad prietaisas imituoja žmogaus širdies siurbimo fiziologiją, o jos kairysis skilvelis gali išpumpuoti 5,7 litro kraujo per minutę (širdies našumas), esant 60 dūžių per minutę širdies ritmui. Kadangi kairiojo skilvelio širdies tūris turėtų būti didesnis nei dešiniojo skilvelio, prietaiso dešiniojo skilvelio širdies tūris buvo sureguliuotas iki 5 litrų per minutę, koreguojant laidų ilgį aplink dešinįjį skilvelį.

Hibridinė širdis buvo toliau bandoma su gyvūnais, chirurginiu būdu implantuojant prietaisą į perikardo erdvę. Prietaisas buvo atsakingas už visą gyvūnų kraujotaką per 50 minučių bandymo laikotarpį.

Bandymas su gyvūnais buvo trumpalaikis eksperimentas, o ne ilgalaikis implantas, suteikiantis pradinį prietaiso veikimo koncepcijos įrodymą.In vivo.

Tačiau atliekant ūminį bandymą su gyvūnais, širdies tūris buvo mažesnis neiin vitro(apie 2,3 litro per minutę esant 65 dūžių per minutę), atspindi ankstyvą įrenginio stadiją, koncepcijos įrodymą ir numatomus techninius apribojimus.

Rezultatai parodė, kad hibridinėje širdyje naudojama termoplastinė poliuretanu dengta nailono medžiaga yra netoksiška, pagerino biologinį suderinamumą ir dėl jų viršmolekulinių dangų pasižymi stipriomis antitrombogeninėmis savybėmis.

gyvūnų irin vitroBandymai parodė reikšmingą trombocitų sukibimo ir trombozės sumažėjimą, palyginti su nepadengtomis medžiagomis, o tai patvirtina ilgalaikio kraujo suderinamumo galimybę.

Laboratoriniuose ir eksperimentuose su gyvūnais hibridinėms širdims įjungti buvo naudojama atvira pneumatinė sistema. Tačiau būsimam klinikiniam naudojimui buvo sukurta visiškai implantuojama uždara skysčių vairavimo sistema. Šią sistemą sudarė implantuotas nuolatinio srauto oro siurblys, oro rezervuaras ir minkšta robotinė paleidimo sistema, sujungta su pertvara uždaroje cirkuliacijos kilpoje.

Uždara skysčio sistema buvo integruota į transkutaninės energijos perdavimo (TET) sistemą, kad belaidžiu būdu būtų tiekiama elektros energija siurbliui. Išorinė Tet spiralė, uždėta ant paciento odos, viršijo jėgą poodyje implantuotoje vidinėje Tet spiralėje, o oda liko nepažeista.

Šis metodas gali sumažinti infekcijos riziką ir pagerinti pacientų gyvenimo kokybę, nes leidžia laikinai atsijungti nuo maitinimo šaltinio ir užsiimti tokia veikla, kaip dušas ar plaukimas.

Šios uždaros skysčių sistemos testavimas atskleidė, kad įjungus nuolatinio srauto siurblį, hibridinė širdis automatiškai pradėjo plakti 35 k./min. širdies susitraukimų dažniu ir pagamino santykinai mažą širdies išstūmimą, palyginti su įprastine vairavimo sistema.

Šis apribojimas pradiniuose eksperimentuose buvo priskirtas turima TET sistemos galia, kuri nebuvo esminė kliūtis technologijai. Tyrimas parodė, kad didėjanti įvesties energija turėtų pagerinti širdies išeigą, ir mokslininkai šiuo metu dirba šiuo klausimu.

Be to, hibridinė širdis parodė prisitaikančias fiziologines savybes. Jautrumas iš anksto ir po apkrovos reiškia, kad hibridinė širdis gali reguliuoti savo galią, reaguodama į kraujospūdį ir tūrį, kaip natūrali širdis. Tai pasiekiama pasyviai, imituojant Frank-Starling mechanizmą, pagal kurį širdis padidina gamybą, reaguodama į padidėjusį užpildymą, nereikalaujant sudėtingų jutiklių ar elektronikos.

Dizainas taip pat leidžia individualiai konfigūruoti įrenginį, pvz. B. Laido ilgio ir padėties keitimas, pritaikytas individualiems paciento poreikiams.

Nors koncepcijos įrodymas yra daug žadantis, darbas vis dar tik pradedamas kurti. Prietaisas buvo sukurtas naudojant prototipų kūrimo medžiagas, o ne medicininius komponentus, todėl reikės atlikti tolesnius ilgalaikius tyrimus su gyvūnais, kad būtų galima visiškai patvirtinti technologijos saugumą, ilgaamžiškumą ir veikimą.

Prieš klinikinį naudojimą visi pagrindiniai komponentai, įskaitant visiškai implantuojamą versiją ir audinių inžinerijos dangas, turi būti toliau išsamiai išbandyti, įskaitant ilgalaikius tyrimus su gyvūnais.

Reikšmė

Tyrimas pateikia pirmuosius įrodymus, kad minkštųjų robotų metodai gali sėkmingai sukurti biologiškai suderinamą dirbtinę širdį, kuri fiziologinėmis sąlygomis gali užtikrinti pakankamą širdies tūrį.

Tyrimo metu sukurta hibridinė širdis gali įveikti šiuo metu turimų dirbtinių širdžių trūkumus ir potencialiai sudaryti antitrombogeninius paviršius ir palaikyti audinių integraciją.

Pavyzdžiui, ateityje dengimo technologija galėtų būti toliau plėtojama, įtraukiant molekules, kurios aktyviai skatina organizmo ląsteles kolonizuoti prietaisą ir suformuoti funkcinį vidinį pamušalą. Šis dvigubas požiūris į kraujo krešėjimo mažinimą ir kūno audinių integracijos palaikymą gali sumažinti visą gyvenimą trunkančios antikoaguliacinės terapijos poreikį.

Nors hibridinė širdis dar nėra paruošta klinikiniam naudojimui ir reikalauja tolesnio kruopštaus bandymo bei optimizavimo, ji parodo, kaip minkštoji robotika ir biomimetinė inžinerija gali užtikrinti saugesnę, funkcionalesnę ir labiau pritaikomą dirbtinę širdelę tiems, kuriems yra vėlyvos stadijos širdies nepakankamumas.

Atsisiųskite savo PDF kopiją dabar!

Šaltiniai: