Izrāviens mīkstā robotika varētu no jauna definēt mākslīgās sirds tehnoloģiju

Izrāviens mīkstā robotika varētu no jauna definēt mākslīgās sirds tehnoloģiju

Revolucionāra mīksta robotizēta sirds varētu pārveidot sirds mazspējas beigu stadijas ārstēšanu un tuvināt mūs pilnībā funkcionējošiem, bioloģiski saderīgiem mākslīgiem orgāniem.

Pētījums: mīksta mākslīgā hibrīda sirds. Fotoattēlu kredīts: Africa Studio / Shutterstock.com

Pētnieki ar mīksto robotiku izstrādāja pilnīgu mākslīgo hibrīda sirdi, kas var atvērt jaunus apvāršņus sirds mazspējas un transplantācijas medicīnā. Žurnālā ir publicēts raksts, kas satur pirmo šī jaunā atklājuma koncepcijas pierādījumuDabas komunikācija.

fons

Sirds mazspēja beigu stadijā ir saistīta ar augstu mirstības līmeni. Slimību ārstē ar sirds transplantāciju; Tomēr galvenais trūkums ir donoru siržu nepieejamība. Šis ierobežojums ir novedis pie pilnīgas mākslīgās sirds un kreisā kambara palīgierīču izstrādes.

Šīm mākslīgajām ierīcēm ir slikta bioloģiskā saderība, jo to projektēšanai izmantotie materiāli nav iegūti no pacienta ķermeņa. Turklāt šīs ierīces fiziski nedarbojas, lai asinis cirkulētu visā ķermenī. Šie faktori var izraisīt asins recekļu veidošanos, kas var izraisīt komplikācijas, kas saistītas ar asins plūsmu.

Perkutānās piedziņas ierīcēm, kas nepieciešamas, lai barotu un savienotu pašlaik pieejamās sirds ierīces ar ārēju avotu, ir augsts infekcijas risks un būtiski ietekmē pacienta dzīves kvalitāti. Šīs komplikācijas pašlaik ierobežo kopējo pašlaik pieejamo mākslinieku klīnisko izmantošanu.

Pašreizējā pētījumā pētnieki izstrādāja hibrīda kopējo mākslinieku, kurā sūkņa jauda nāk no mīkstās robotikas, lai fizioloģiski virzītu asinis. Viņi sauca ierīci par "hibrīdu sirdi".

Hibrīda sirds – dizains un darbības princips

Pētnieki izstrādāja šo jauno mākslinieku kopējo paaudzi ar domu, ka ierīcei jāatdarina cilvēka sirds struktūra un funkcija. Cilvēka sirdij ir divas kameras, kreisais un labais ventrikuls, kas ir atdalīti ar starpsienu (starpsienu). Sinhronās sirds kambaru un starpsienas kontrakcijas rezultātā asinis tiek izvadītas no cirkulējošajiem kambariem.

Tāpat kā cilvēka sirdī, hibrīdajā sirdī ir divas mākslīgas kameras, kuras atdala mīksts pneimatiskais muskulis (starpsienas). Kambari un starpsiena ir izgatavoti no neilona, ​​kas pārklāts ar termoplastisku poliuretānu. Konkrēti, dizains ietver arī vairākus nedetalizētus vadus, kas sakārtoti slēgtā cilpā un kuriem ir galvenā loma koordinētu sirds kontrakciju atdarināšanā, sadalot spēkus abos kambaros.

Supramolekulārie pārklājumi tiek uzklāti uz termoplastiskā poliuretāna pārklājuma neilona materiāla, lai uzlabotu bioloģisko saderību.

Pozitīvs vai negatīvs gaisa spiediens tiek izmantots, lai uzpūstu un iztukšotu starpsienu. Kad starpsiena sistoles laikā piepūšas, tās iekšējais diametrs palielinās, ļaujot tai aptīt vairāk stieples. Tas izspiež sirds kambarus, lai izspiestu asinis kā dabiska sirds. Kad starpsiena iztukšojas diastoles laikā, sirds kambari pasīvi piepildās.

Konkrēto vadu garumu un skaitu ap katru kambari var pielāgot, lai mainītu katras kameras sirds izsviedi, tādējādi pielāgojot prasības dažādu fizioloģisko apstākļu vai slimību prasībām. Šī regulējamība varētu būt svarīga, lai ierīci pielāgotu individuālām pacienta prasībām, piemēram, plaušu hipertensijas gadījumā.

Pirmajos izmēģinājumos mīkstā robotu sistēma demonstrēja spēju radīt spiediena līknes, kas līdzīgas dabiskajiem sirdspukstiem, nodrošinot ierīcei nedzīvāku sūknēšanas ritmu.

Robotizēts iedarbināšanas mehānisms nodrošina nepieciešamo spiediena profilu hibrīda sirds starpsienai. Iedarbināšanas mehānisms pārvērš vadības signālus fiziskās darbībās sistēmā. Šis mīkstais robotu kaujas mehānisms nepaļaujas uz elektroniku, lai radītu sirdsdarbību. Tā vietā tas autonomi un pasīvi pārveido nepārtraukta gaisa sūkņa pastāvīgo plūsmu spiediena impulsos, kas ģenerē sirdsdarbību hibrīda sirdij.

Tomēr kopējā sistēmā ir iekļauti arī elektroniski komponenti jaudai un kontrolei, jo īpaši turpmākajās pilnībā implantējamās versijās.

Funkcionālā validācija

Hibrīda sirds laboratoriskā pārbaude fizioloģiskos apstākļos atklāja, ka ierīce atdarina cilvēka sirds sūknēšanas fizioloģiju un tās kreisā kambara var sūknēt 5,7 litrus asiņu minūtē (sirds jauda) ar sirdsdarbības ātrumu 60 sitieni minūtē. Tā kā kreisā kambara sirds jaudai jābūt lielākai nekā labā kambara, ierīces labā kambara sirds jauda tika noregulēta uz 5 litriem minūtē, pielāgojot vadu garumu ap labo kambara.

Hibrīda sirds tika tālāk pārbaudīta ar dzīvniekiem, ķirurģiski implantējot ierīci perikarda telpā. Ierīce bija atbildīga par visu dzīvnieku asins plūsmu 50 minūšu testa periodā.

Pārbaude ar dzīvniekiem bija īstermiņa eksperiments, nevis ilgtermiņa implants, nodrošinot sākotnējo koncepcijas pierādījumu ierīces darbībai.In vivo.

Tomēr akūtā testā ar dzīvniekiem sirds izsviede bija zemāka parin vitro(apmēram 2,3 litri minūtē pie 65 sitieniem minūtē), atspoguļojot ierīces agrīno stadiju, koncepcijas pierādījumu un paredzamos tehniskos ierobežojumus.

Rezultāti parādīja, ka termoplastiskais poliuretāna pārklājums neilona materiāls, ko izmanto hibrīda sirdī, nav toksisks, tam ir uzlabota bioloģiskā saderība un tam piemīt spēcīgas antitrombogēnas īpašības, pateicoties to supramolekulārajiem pārklājumiem.

dzīvnieku unin vitroPārbaudes parādīja ievērojamu trombocītu adhēzijas un trombozes samazināšanos, salīdzinot ar materiāliem bez pārklājuma, tādējādi atbalstot ilgtermiņa saderības ar asinīm potenciālu.

Laboratorijas un dzīvnieku eksperimentos hibrīdo siržu iedarbināšanai tika izmantota atvērta pneimatiskā sistēma. Tomēr ir izstrādāta pilnībā implantējama, slēgta šķidruma vadīšanas sistēma turpmākai klīniskai lietošanai. Šī sistēma sastāvēja no implantēta nepārtrauktas plūsmas gaisa sūkņa, gaisa rezervuāra un mīkstas robotizētas iedarbināšanas sistēmas, kas slēgtā cirkulācijas cilpā savienota ar starpsienu.

Slēgtā šķidruma sistēma tika integrēta transkutānās enerģijas pārneses (TET) sistēmā, lai sūknim nodrošinātu elektrisko enerģiju bezvadu režīmā. Ārējā Tet spole, kas novietota uz pacienta ādas, pārsniedza spēku subkutāni implantētajā iekšējā Tet spolē, kamēr āda palika neskarta.

Šī pieeja potenciāli var samazināt inficēšanās risku un uzlabot pacientu dzīves kvalitāti, ļaujot viņiem īslaicīgi atvienoties no strāvas avota un iesaistīties tādās aktivitātēs kā duša vai peldēšana.

Šīs slēgtās šķidruma sistēmas testēšana atklāja, ka tad, kad tika darbināts nepārtrauktas plūsmas sūknis, hibrīda sirds automātiski sāka pukstēt ar sirdsdarbības ātrumu 35 sitieni minūtē un radīja salīdzinoši zemu sirdsdarbības ātrumu, salīdzinot ar to, ko rada parastā braukšanas sistēma.

Šis ierobežojums sākotnējos eksperimentos tika attiecināts uz pieejamo TET sistēmas jaudu, kas nebija būtisks šķērslis tehnoloģijai. Pētījumā konstatēts, ka, palielinot ievades enerģiju, vajadzētu uzlabot sirds izvadi, un pētnieki pašlaik strādā pie tā.

Turklāt hibrīda sirds demonstrēja adaptīvas fizioloģiskas īpašības. Priekšslodzes un pēcslodzes jutīgums nozīmē, ka hibrīda sirds var pielāgot savu jaudu, reaģējot uz asinsspiedienu un tilpumiem, kā dabiska sirds. Tas tiek panākts pasīvi, atdarinot Frank-Starling mehānismu, kā rezultātā sirds palielina produkciju, reaģējot uz palielinātu piepildījumu, bez nepieciešamības pēc sarežģītiem sensoriem vai elektronikas.

Dizains pieļauj arī individuālu ierīces konfigurāciju, piem. B. Vada garuma un novietojuma maiņa, kas pielāgota individuālajām pacienta prasībām.

Lai gan koncepcijas pierādījums ir daudzsološs, darbs joprojām ir sākuma stadijā. Ierīce tika veidota uz prototipu materiāliem, nevis medicīniskiem komponentiem, un būs nepieciešami turpmāki ilgtermiņa pētījumi ar dzīvniekiem, lai pilnībā apstiprinātu tehnoloģijas drošību, izturību un veiktspēju.

Pirms klīniskās lietošanas visiem galvenajiem komponentiem, tostarp pilnībā implantējamai versijai un audu inženierijas pārklājumiem, ir nepieciešama plaša turpmāka pārbaude, tostarp ilgtermiņa pētījumi ar dzīvniekiem.

Nozīme

Pētījums sniedz pirmos pierādījumus tam, ka mīkstās robotu metodes var veiksmīgi izveidot bioloģiski saderīgu mākslīgo sirdi, kas fizioloģiskos apstākļos var nodrošināt atbilstošu sirds izsviedi.

Pētījumā izstrādātā hibrīda sirds var pārvarēt pašlaik pieejamo kopējo mākslīgo siržu trūkumus un potenciāli nodrošināt gan prettrombogēnas virsmas, gan atbalstu audu integrācijai.

Piemēram, nākotnē varētu turpināt attīstīt pārklājuma tehnoloģiju, iekļaujot tajā molekulas, kas aktīvi mudina ķermeņa šūnas kolonizēt ierīci un veidot funkcionālu iekšējo oderi. Šī divējāda pieeja, lai samazinātu asins recēšanu un atbalstītu ķermeņa audu integrāciju, varētu samazināt vajadzību pēc mūža antikoagulācijas terapijas.

Lai gan hibrīda sirds vēl nav gatava klīniskai lietošanai un prasa turpmāku rūpīgu testēšanu un optimizāciju, tas parāda, kā mīksta robotika un biomimētiskā inženierija var nodrošināt drošākas, funkcionālas un pielāgojamākas mākslīgās sirdis tiem, kuriem ir vēlīnā sirds mazspēja.

Lejupielādējiet savu PDF kopiju tūlīt!

Avoti: