Banebrytende myk robotikk kan redefinere kunstig hjerteteknologi

Banebrytende myk robotikk kan redefinere kunstig hjerteteknologi

Et banebrytende mykt robothjerte kan transformere behandling for hjertesvikt i sluttstadiet og bringe oss nærmere fullt fungerende, biokompatible kunstige organer enn noen gang.

Studie: Et mykt kunstig hybridhjerte. Fotokreditt: Africa Studio/Shutterstock.com

Forskerne utviklet et totalt kunstig hybridhjerte ved hjelp av myk robotikk som kan åpne nye horisonter innen hjertesvikt og transplantasjonsmedisin. Artikkelen som inneholder det første konseptbeviset for denne nye oppdagelsen er publisert i tidsskriftetNaturkommunikasjon.

bakgrunn

Sluttstadium hjertesvikt er assosiert med høy dødelighet. Sykdommen kan behandles gjennom hjertetransplantasjon; Imidlertid er utilgjengeligheten av donorhjerter den største ulempen. Denne begrensningen har ført til utviklingen av totale kunstige hjerter og venstre ventrikulære hjelpeenheter.

Disse kunstige enhetene har dårlig biokompatibilitet fordi materialene som brukes til å designe dem ikke er avledet fra pasientens kropp. I tillegg fungerer ikke disse enhetene fysisk for å sirkulere blod i hele kroppen. Disse faktorene kan indusere dannelse av blodpropp, som senere kan føre til komplikasjoner relatert til blodstrømmen.

Perkutane fremdriftsenheter, som kreves for å drive og koble nåværende tilgjengelige hjerteenheter til en ekstern kilde, har en høy risiko for infeksjon og påvirker en pasients livskvalitet betydelig. Disse komplikasjonene begrenser for tiden den kliniske bruken av det totale antallet artister som for tiden er tilgjengelige.

I den nåværende studien utviklet forskere en hybrid totalkunstner der pumpekraften kommer fra myk robotikk for å fysiologisk fremme blodet. De kalte enheten et "hybridhjerte".

Hybridhjerte – design og arbeidsprinsipp

Forskere designet denne nye generasjonen av totalkunstnere med ideen om at enheten skal etterligne strukturen og funksjonen til det menneskelige hjertet. Det menneskelige hjertet har to kamre, venstre og høyre ventrikkel, som er atskilt med en skillevegg (en skillevegg). Den synkrone sammentrekningen av ventriklene og septum resulterer i at blod blir utstøtt fra de sirkulerende ventriklene.

I likhet med menneskehjertet inneholder hybridhjertet to kunstige kamre atskilt av en myk pneumatisk muskel (septum). Ventriklene og skilleveggen er laget av nylon belagt med termoplastisk polyuretan. Spesielt inkluderer designet også flere ikke-detaljerbare ledninger arrangert i en lukket sløyfe som spiller en nøkkelrolle i å etterligne hjertets koordinerte sammentrekninger ved å fordele krefter over begge ventriklene.

Supramolekylære belegg påføres det termoplastiske polyuretanbelagte nylonmaterialet for å forbedre biokompatibiliteten.

Positivt eller negativt lufttrykk brukes til å blåse opp og tømme skilleveggen. Når skilleveggen blåses opp under systole, øker dens indre diameter, slik at mer ledning kan vikles rundt den. Dette klemmer ventriklene for å støte ut blod som et naturlig hjerte. Når skilleveggen tømmes under diastole, fylles ventriklene passivt på nytt.

Den spesifikke lengden og antallet ledninger rundt hver ventrikkel kan justeres for å endre hjerteeffekten til hvert kammer, og dermed tilpasse kravene til kravene til forskjellige fysiologiske tilstander eller sykdommer. Denne justerbarheten kan være viktig for å tilpasse enheten til individuelle pasientbehov, for eksempel ved pulmonal hypertensjon.

I tidlige forsøk demonstrerte det myke robotsystemet evnen til å generere trykkkurver som ligner de i naturlige hjerteslag, og ga enheten en mer livløs pumperytme.

En robotaktiveringsmekanisme gir den nødvendige trykkprofilen for skilleveggen til hybridhjertet. Aktiveringsmekanismen oversetter kontrollsignaler til fysiske handlinger i et system. Denne myke robotiske kampmekanismen er ikke avhengig av elektronikk for å generere hjerteslag. I stedet konverterer den autonomt og passivt den konstante strømmen til en kontinuerlig luftpumpe til trykkpulser som genererer hjerteslag for hybridhjertet.

Imidlertid inkluderer det overordnede systemet også elektroniske komponenter for kraft og kontroll, spesielt i fremtidige fullt implanterbare versjoner.

Funksjonell validering

Laboratorietesting av hybridhjertet under fysiologiske forhold avslørte at enheten etterligner pumpefysiologien til det menneskelige hjertet og dets venstre ventrikkel kan pumpe 5,7 liter blod per minutt (hjerteutgang) med en hjertefrekvens på 60 slag per minutt. Fordi venstre ventrikkels hjertevolum skal være høyere enn høyre ventrikkel, ble høyre ventrikkels hjertevolumet på enheten justert til 5 liter per minutt ved å justere lengden på ledningene rundt høyre ventrikkel.

Hybridhjertet ble videre testet på dyr ved kirurgisk implantering av enheten i det perikardiale rommet. Enheten var ansvarlig for all dyreblodstrøm i løpet av en testperiode på 50 minutter.

Dyretesten var et kortsiktig eksperiment, ikke et langtidsimplantat, og ga et første bevis på begrepet for enhetens funksjonIn vivo.

I den akutte dyretesten var imidlertid hjertevolum lavere ennin vitro(Omtrent 2,3 liter per minutt ved 65 bpm), noe som gjenspeiler enhetens tidlige fase, proof-of-concept natur og forventede tekniske begrensninger.

Resultatene viste at det termoplastiske polyuretanbelagte nylonmaterialet som brukes i hybridhjertet er ikke-giftig, har forbedret biokompatibilitet og har sterke antitrombogene egenskaper på grunn av deres supramolekylære belegg.

dyr ogin vitroTesting viste en signifikant reduksjon i blodplateadhesjon og trombose sammenlignet med ubelagte materialer, noe som støtter potensialet for langsiktig blodkompatibilitet.

I laboratorie- og dyreforsøk ble et åpent pneumatisk system brukt for å aktivere hybridhjertene. Imidlertid er det utviklet et fullt implanterbart, lukket fluidisk drivsystem for fremtidig klinisk bruk. Dette systemet besto av en implantert kontinuerlig luftpumpe, et luftreservoar og et mykt robotaktiveringssystem koblet til skilleveggen i en lukket sirkulasjonssløyfe.

Det lukkede fluidsystemet ble integrert i et transkutan energioverføring (TET) system for trådløst å gi elektrisk energi til pumpen. Den eksterne Tet-spiralen plassert på pasientens hud overskred kraften i den subkutant implanterte indre Tet-spiralen mens huden forble intakt.

Denne tilnærmingen kan potensielt redusere risikoen for infeksjon og forbedre pasientenes livskvalitet ved å la dem midlertidig koble fra en strømkilde og delta i aktiviteter som dusjing eller svømming.

Testing av dette lukkede væskesystemet avslørte at når kontinuerlig strømningspumpen ble drevet, begynte hybridhjertet automatisk å slå med en hjertefrekvens på 35 bpm og produserte et relativt lavt hjertevolum sammenlignet med det som ble produsert av det konvensjonelle kjøresystemet.

Denne begrensningen ble i de første eksperimentene tilskrevet den tilgjengelige kraften til TET-systemet, som ikke var en grunnleggende barriere for teknologien. Forskningen fant at økende energitilførsel skulle forbedre hjertevolum, og forskere jobber for tiden med dette.

Videre demonstrerte hybridhjertet adaptive fysiologiske egenskaper. Følsomhet for forhåndsbelastning og etterbelastning betyr at hybridhjertet kan justere utgangseffekten som svar på blodtrykk og volumer som et naturlig hjerte. Dette oppnås passivt, og etterligner Frank-Starling-mekanismen, der hjertet øker produksjonen som svar på økt fylling, uten behov for komplekse sensorer eller elektronikk.

Designet gir også mulighet for individuell konfigurasjon av enheten, f.eks. B. Endring av ledningslengden og posisjonen skreddersydd til individuelle pasientbehov.

Selv om proof of concept er lovende, er arbeidet fortsatt i sin spede begynnelse. Enheten ble bygget på prototypematerialer i stedet for komponenter av medisinsk kvalitet, og ytterligere langsiktige dyrestudier vil være nødvendig for å fullt ut validere teknologiens sikkerhet, holdbarhet og ytelse.

Før klinisk bruk krever alle nøkkelkomponenter, inkludert den fullt implanterbare versjonen og vevstekniske belegg, omfattende ytterligere testing, inkludert langsiktige dyrestudier.

Betydning

Studien gir det første beviset på at myke robotteknikker med suksess kan utvikle et biokompatibelt kunstig hjerte som kan levere tilstrekkelig hjertevolum under fysiologiske forhold.

Hybridhjertet utviklet i studien kan overvinne manglene til for tiden tilgjengelige totale kunstige hjerter og potensielt gi både antitrombogeniske overflater og støtte for vevsintegrasjon.

I fremtiden kan for eksempel beleggteknologi utvikles videre til å inkludere molekyler som aktivt oppmuntrer kroppens celler til å kolonisere enheten og danne en funksjonell indre foring. Denne doble tilnærmingen for å redusere blodpropp og støtte kroppens vevsintegrasjon kan redusere behovet for livslang antikoagulasjonsbehandling.

Selv om hybridhjertet ennå ikke er klart for klinisk bruk og krever ytterligere grundig testing og optimalisering, viser det hvordan myk robotikk og biomimetisk konstruksjon kan gi tryggere, funksjonelle og mer tilpasningsdyktige kunstige hjerter for de som lider av hjertesvikt i sent stadium.

Last ned PDF-eksemplaret ditt nå!

Kilder: