Baanbrekende zachte robotica kunnen kunstmatige harttechnologie opnieuw definiëren

Baanbrekende zachte robotica kunnen kunstmatige harttechnologie opnieuw definiëren

Een baanbrekend zacht robothart zou de behandeling van hartfalen in het eindstadium kunnen transformeren en ons dichter dan ooit bij volledig functionerende, biocompatibele kunstmatige organen kunnen brengen.

Studie: Een zacht kunstmatig hybride hart. Fotocredit: Africa Studio/Shutterstock.com

De onderzoekers ontwikkelden door middel van zachte robotica een totaal kunstmatig hybride hart dat nieuwe horizonten kan openen op het gebied van hartfalen en transplantatiegeneeskunde. Het artikel met de eerste proof of concept van deze nieuwe ontdekking wordt in het tijdschrift gepubliceerdCommunicatie over de natuur.

achtergrond

Hartfalen in het eindstadium gaat gepaard met een hoog sterftecijfer. De ziekte is behandelbaar via een harttransplantatie; Het grootste nadeel is echter de onbeschikbaarheid van donorharten. Deze beperking heeft geleid tot de ontwikkeling van totale kunstmatige harten en linkerventrikelhulpmiddelen.

Deze kunstmatige apparaten hebben een slechte biocompatibiliteit omdat de materialen die worden gebruikt om ze te ontwerpen niet afkomstig zijn van het lichaam van de patiënt. Bovendien werken deze apparaten fysiek niet om het bloed door het lichaam te laten circuleren. Deze factoren kunnen de vorming van bloedstolsels veroorzaken, wat vervolgens kan leiden tot complicaties die verband houden met de bloedstroom.

Percutane voortstuwingsapparaten, die nodig zijn om de momenteel beschikbare hartapparatuur van stroom te voorzien en aan te sluiten op een externe bron, hebben een hoog risico op infectie en hebben een aanzienlijke invloed op de levenskwaliteit van een patiënt. Deze complicaties beperken momenteel het klinische gebruik van het totale aantal kunstenaars dat momenteel beschikbaar is.

In de huidige studie ontwikkelden onderzoekers een hybride totaalkunstenaar waarbij de pompkracht afkomstig is van zachte robotica om het bloed fysiologisch vooruit te helpen. Ze noemden het apparaat een ‘hybride hart’.

Hybride hart – ontwerp en werkingsprincipe

Onderzoekers ontwierpen deze nieuwe generatie totaalkunstenaars met het idee dat het apparaat de structuur en functie van het menselijk hart moest nabootsen. Het menselijk hart heeft twee kamers, de linker- en rechterventrikel, die gescheiden zijn door een septum (een scheidingswand). De synchrone samentrekking van de ventrikels en het septum heeft tot gevolg dat bloed uit de circulerende ventrikels wordt verdreven.

Net als het menselijk hart bevat het hybride hart twee kunstmatige kamers, gescheiden door een zachte pneumatische spier (tussenschot). De ventrikels en het septum zijn gemaakt van nylon bedekt met thermoplastisch polyurethaan. Het ontwerp omvat met name ook meerdere niet-detaileerbare draden, gerangschikt in een gesloten lus, die een sleutelrol spelen bij het nabootsen van de gecoördineerde contracties van het hart door de krachten over beide ventrikels te verdelen.

Er worden supramoleculaire coatings aangebracht op het thermoplastische, met polyurethaan gecoate nylonmateriaal om de biocompatibiliteit te verbeteren.

Er wordt gebruik gemaakt van positieve of negatieve luchtdruk om het septum op te blazen en leeg te laten lopen. Naarmate het septum tijdens de systole opblaast, neemt de binnendiameter ervan toe, waardoor er meer draad omheen kan worden gewikkeld. Hierdoor worden de ventrikels samengedrukt om bloed uit te stoten zoals bij een natuurlijk hart. Terwijl het septum leegloopt tijdens de diastole, vullen de ventrikels zich passief opnieuw.

De specifieke lengte en het aantal draden rond elke ventrikel kunnen worden aangepast om de cardiale output van elke kamer te veranderen, waardoor de vereisten worden aangepast aan de vereisten van verschillende fysiologische omstandigheden of ziekten. Deze verstelbaarheid kan belangrijk zijn om het apparaat aan te passen aan de individuele behoeften van de patiënt, bijvoorbeeld bij pulmonale hypertensie.

In vroege tests demonstreerde het zachte robotsysteem het vermogen om drukcurven te genereren die vergelijkbaar zijn met die van natuurlijke hartslagen, waardoor het apparaat een levenlozer pompritme kreeg.

Een robotbedieningsmechanisme zorgt voor het vereiste drukprofiel voor het septum van het hybride hart. Het bedieningsmechanisme vertaalt stuursignalen naar fysieke acties binnen een systeem. Dit zachte robotachtige gevechtsmechanisme is niet afhankelijk van elektronica om een ​​hartslag te genereren. In plaats daarvan zet het de constante stroom van een continue luchtpomp autonoom en passief om in drukpulsen die de hartslag voor het hybride hart genereren.

Het totale systeem omvat echter ook elektronische componenten voor voeding en controle, vooral in toekomstige volledig implanteerbare versies.

Functionele validatie

Uit laboratoriumtests van het hybride hart onder fysiologische omstandigheden is gebleken dat het apparaat de pompfysiologie van het menselijk hart nabootst en dat de linkerventrikel 5,7 liter bloed per minuut (hartminuutvolume) kan pompen met een hartslag van 60 slagen per minuut. Omdat het hartminuutvolume van de linkerventrikel hoger zou moeten zijn dan het hartminuutvolume van het rechterventrikel, werd het hartminuutvolume van het rechterventrikel van het apparaat aangepast naar 5 liter per minuut door de lengte van de draden rond het rechterventrikel aan te passen.

Het hybride hart werd verder getest bij dieren door het apparaat operatief in de pericardiale ruimte te implanteren. Het apparaat was verantwoordelijk voor alle bloedstroom van dieren gedurende een testperiode van 50 minuten.

De dierproef was een kortetermijnexperiment en geen langetermijnimplantaat, wat een eerste proof-of-concept opleverde voor de werking van het apparaatIn vivo.

In de acute dierproef was het hartminuutvolume echter lager danin vitro(Ongeveer 2,3 liter per minuut bij 65 bpm), wat de vroege fase van het apparaat, het proof-of-concept-karakter en de verwachte technische beperkingen weerspiegelt.

De resultaten toonden aan dat het thermoplastische, met polyurethaan gecoate nylonmateriaal dat in het hybride hart wordt gebruikt, niet-toxisch is, een verbeterde biocompatibiliteit heeft en sterke anti-trombogene eigenschappen heeft dankzij hun supramoleculaire coatings.

dier enin vitroTesten toonden een significante vermindering van de adhesie van bloedplaatjes en trombose aan in vergelijking met niet-gecoate materialen, wat het potentieel voor bloedcompatibiliteit op de lange termijn ondersteunt.

In laboratorium- en dierproeven werd een open pneumatisch systeem gebruikt om de hybride harten te bedienen. Er is echter een volledig implanteerbaar, gesloten vloeistofaandrijfsysteem ontwikkeld voor toekomstig klinisch gebruik. Dit systeem bestond uit een geïmplanteerde luchtpomp met continue stroom, een luchtreservoir en een zacht robotbedieningssysteem dat in een gesloten circulatielus met het septum was verbonden.

Het gesloten vloeistofsysteem werd geïntegreerd in een transcutaan energieoverdrachtsysteem (TET) om draadloos elektrische energie aan de pomp te leveren. De externe Tet-spiraal die op de huid van de patiënt werd geplaatst, overschreed de kracht van de subcutaan geïmplanteerde interne Tet-spiraal, terwijl de huid intact bleef.

Deze aanpak kan mogelijk het risico op infectie verminderen en de levenskwaliteit van patiënten verbeteren door hen de mogelijkheid te bieden tijdelijk de verbinding met een stroombron te verbreken en activiteiten te ondernemen zoals douchen of zwemmen.

Uit testen van dit gesloten vloeistofsysteem bleek dat wanneer de pomp met continue stroom werd aangedreven, het hybride hart automatisch begon te kloppen met een hartslag van 35 bpm en een relatief laag hartminuutvolume produceerde vergeleken met dat van het conventionele aandrijfsysteem.

Deze beperking werd bij de eerste experimenten toegeschreven aan de beschikbare kracht van het TET-systeem, wat geen fundamentele barrière voor de technologie vormde. Uit het onderzoek bleek dat het verhogen van de input-energie het hartminuutvolume zou moeten verbeteren, en onderzoekers werken hier momenteel aan.

Bovendien vertoonde het hybride hart adaptieve fysiologische eigenschappen. Preload- en afterload-gevoeligheid betekent dat het hybride hart zijn output kan aanpassen als reactie op de bloeddruk en het volume, net als bij een natuurlijk hart. Dit wordt passief bereikt, waarbij het Frank-Starling-mechanisme wordt nagebootst, waarbij het hart de productie verhoogt als reactie op een verhoogde vulling, zonder de noodzaak van complexe sensoren of elektronica.

Het ontwerp maakt ook een individuele configuratie van het apparaat mogelijk, b.v. B. Het aanpassen van de draadlengte en -positie, afgestemd op de individuele behoeften van de patiënt.

Hoewel de proof of concept veelbelovend is, staat het werk nog in de kinderschoenen. Het apparaat is gebouwd op prototypematerialen in plaats van op medische componenten, en er zullen verdere dierstudies op lange termijn nodig zijn om de veiligheid, duurzaamheid en prestaties van de technologie volledig te valideren.

Vóór klinisch gebruik moeten alle belangrijke componenten, inclusief de volledig implanteerbare versie en de weefselmanipulatiecoatings, uitgebreid verder worden getest, inclusief langdurige dierstudies.

Betekenis

De studie levert het eerste bewijs dat zachte robottechnieken met succes een biocompatibel kunsthart kunnen ontwikkelen dat onder fysiologische omstandigheden voldoende hartminuutvolume kan leveren.

Het hybride hart dat in de studie is ontwikkeld, kan de tekortkomingen van de momenteel beschikbare totale kunstmatige harten overwinnen en mogelijk zowel anti-trombogene oppervlakken als ondersteuning voor weefselintegratie bieden.

In de toekomst zou de coatingtechnologie bijvoorbeeld verder kunnen worden ontwikkeld met moleculen die de lichaamscellen actief aanmoedigen om het apparaat te koloniseren en een functionele binnenbekleding te vormen. Deze tweeledige aanpak om de bloedstolling te verminderen en de weefselintegratie van het lichaam te ondersteunen, zou de behoefte aan levenslange antistollingstherapie kunnen verminderen.

Hoewel het hybride hart nog niet klaar is voor klinisch gebruik en verdere grondige tests en optimalisatie vereist, laat het zien hoe zachte robotica en biomimetische engineering kunnen zorgen voor veiligere, functionelere en beter aanpasbare kunstmatige harten voor mensen in een vergevorderd stadium van hartfalen.

Download nu uw PDF-exemplaar!

Bronnen: