Przełomowa miękka robotyka może na nowo zdefiniować technologię sztucznego serca

Przełomowa miękka robotyka może na nowo zdefiniować technologię sztucznego serca

Przełomowe, miękkie, robotyczne serce może zmienić sposób leczenia schyłkowej niewydolności serca i przybliżyć nas bardziej niż kiedykolwiek do w pełni funkcjonujących, biokompatybilnych sztucznych narządów.

Badanie: Miękkie, sztuczne serce hybrydowe. Źródło zdjęcia: Africa Studio/Shutterstock.com

Naukowcy opracowali całkowicie sztuczne serce hybrydowe za pomocą miękkiej robotyki, która może otworzyć nowe horyzonty w leczeniu niewydolności serca i medycynie transplantacyjnej. W czasopiśmie ukazał się artykuł zawierający pierwszy dowód słuszności tego nowatorskiego odkryciaKomunikacja przyrodnicza.

tło

Schyłkowa niewydolność serca wiąże się z dużą śmiertelnością. Chorobę można leczyć poprzez przeszczep serca; Główną wadą jest jednak niedostępność serc dawców. To ograniczenie doprowadziło do opracowania całkowicie sztucznych serc i urządzeń wspomagających pracę lewej komory.

Te sztuczne urządzenia charakteryzują się słabą biokompatybilnością, ponieważ materiały użyte do ich zaprojektowania nie pochodzą z organizmu pacjenta. Ponadto urządzenia te nie służą fizycznie do krążenia krwi w organizmie. Czynniki te mogą powodować powstawanie skrzepów krwi, co może w konsekwencji prowadzić do powikłań związanych z przepływem krwi.

Przezskórne urządzenia napędowe, które są wymagane do zasilania i podłączania obecnie dostępnych urządzeń kardiologicznych do źródła zewnętrznego, wiążą się z wysokim ryzykiem infekcji i znacząco wpływają na jakość życia pacjenta. Powikłania te ograniczają obecnie zastosowanie kliniczne wszystkich dostępnych obecnie artystów.

W ramach obecnego badania naukowcy opracowali hybrydowego artystę totalnego, w którym moc pompy pochodzi z miękkiej robotyki, która fizjologicznie przyspiesza przepływ krwi. Nazwali urządzenie „hybrydowym sercem”.

Serce hybrydowe – budowa i zasada działania

Naukowcy zaprojektowali nową generację artystów totalnych, wychodząc z założenia, że ​​urządzenie powinno naśladować strukturę i funkcję ludzkiego serca. Serce człowieka składa się z dwóch komór, lewej i prawej, oddzielonych przegrodą (przegrodą). Synchroniczne skurcze komór i przegrody powodują wydalenie krwi z krążących komór.

Podobnie jak serce ludzkie, serce hybrydowe zawiera dwie sztuczne komory oddzielone miękkim mięśniem pneumatycznym (przegrodą). Komory i przegroda wykonane są z nylonu pokrytego termoplastycznym poliuretanem. Warto zauważyć, że projekt obejmuje również wiele nieokreślonych przewodów ułożonych w zamkniętą pętlę, które odgrywają kluczową rolę w naśladowaniu skoordynowanych skurczów serca poprzez rozkład sił na obie komory.

Powłoki supramolekularne nakłada się na nylonowy materiał pokryty termoplastycznym poliuretanem w celu poprawy biokompatybilności.

Do napełniania i opróżniania przegrody stosuje się dodatnie lub ujemne ciśnienie powietrza. W miarę jak przegroda napełnia się podczas skurczu, jej wewnętrzna średnica zwiększa się, umożliwiając owinięcie wokół niej większej ilości drutu. To ściska komory, aby wyrzucić krew jak naturalne serce. Gdy przegroda opróżnia się podczas rozkurczu, komory biernie napełniają się.

Specyficzną długość i liczbę przewodów wokół każdej komory można regulować w celu zmiany rzutu serca w każdej komorze, dostosowując w ten sposób wymagania do wymagań różnych stanów fizjologicznych lub chorób. Ta możliwość regulacji może być istotna przy dostosowaniu urządzenia do indywidualnych wymagań pacjenta, na przykład z nadciśnieniem płucnym.

We wczesnych próbach miękki system robotyczny wykazał zdolność do generowania krzywych ciśnienia podobnych do tych w naturalnych uderzeniach serca, nadając urządzeniu bardziej pozbawiony życia rytm pompowania.

Zrobotyzowany mechanizm uruchamiający zapewnia wymagany profil ciśnienia dla przegrody serca hybrydowego. Mechanizm uruchamiający przekłada sygnały sterujące na fizyczne działania w systemie. Ten miękki robotyczny mechanizm bojowy nie wykorzystuje elektroniki do generowania bicia serca. Zamiast tego autonomicznie i pasywnie przekształca stały przepływ ciągłej pompy powietrza na impulsy ciśnienia, które generują bicie serca hybrydowego serca.

Jednakże cały system obejmuje również komponenty elektroniczne do zasilania i sterowania, szczególnie w przyszłych, w pełni wszczepialnych wersjach.

Walidacja funkcjonalna

Badania laboratoryjne hybrydowego serca w warunkach fizjologicznych wykazały, że urządzenie naśladuje fizjologię pompowania ludzkiego serca, a jego lewa komora może pompować 5,7 litrów krwi na minutę (pojemność minutowa serca) przy częstości akcji serca wynoszącej 60 uderzeń na minutę. Ponieważ rzut serca lewej komory powinien być wyższy niż rzut prawej komory, rzut serca prawej komory w urządzeniu ustawiono na 5 litrów na minutę, dostosowując długość przewodów wokół prawej komory.

Serce hybrydowe poddano dalszym testom na zwierzętach poprzez chirurgiczne wszczepienie urządzenia do przestrzeni osierdziowej. Urządzenie odpowiadało za cały przepływ krwi zwierząt podczas 50-minutowego okresu testowego.

Test na zwierzętach był krótkotrwałym eksperymentem, a nie długoterminowym implantem i zapewnił wstępny dowód słuszności działania urządzeniaNa żywo.

Jednakże w ostrym teście na zwierzętach pojemność minutowa serca była niższa niżin vitro(Około 2,3 litra na minutę przy 65 uderzeń na minutę), co odzwierciedla wczesny etap urządzenia, charakter weryfikacji koncepcji i spodziewane ograniczenia techniczne.

Wyniki wykazały, że termoplastyczny materiał nylonowy pokryty poliuretanem stosowany w sercu hybrydowym jest nietoksyczny, ma lepszą biokompatybilność i ma silne właściwości przeciwzakrzepowe dzięki powłokom supramolekularnym.

zwierzę iin vitroTesty wykazały znaczną redukcję adhezji płytek krwi i zakrzepicy w porównaniu z materiałami niepowlekanymi, co potwierdza potencjał długoterminowej zgodności z krwią.

W doświadczeniach laboratoryjnych i na zwierzętach do uruchamiania serc hybrydowych zastosowano otwarty układ pneumatyczny. Jednakże opracowano w pełni wszczepialny, zamknięty system napędzania strumieniowego do przyszłego zastosowania klinicznego. System ten składał się z wszczepionej pompy powietrza o ciągłym przepływie, zbiornika powietrza i miękkiego, automatycznego systemu uruchamiającego połączonego z przegrodą w zamkniętej pętli cyrkulacyjnej.

Zamknięty układ przepływowy został zintegrowany z systemem przezskórnego transferu energii (TET), aby bezprzewodowo dostarczać energię elektryczną do pompy. Zewnętrzna cewka Tet umieszczona na skórze pacjenta przekroczyła siłę wywieraną przez wszczepioną podskórnie wewnętrzną cewkę Tet, podczas gdy skóra pozostała nienaruszona.

Takie podejście może potencjalnie zmniejszyć ryzyko infekcji i poprawić jakość życia pacjentów, umożliwiając im tymczasowe odłączenie od źródła prądu i podjęcie takich czynności, jak branie prysznica lub pływanie.

Testy tego zamkniętego układu przepływowego wykazały, że po włączeniu pompy o ciągłym przepływie serce hybrydy automatycznie zaczęło bić z częstością 35 uderzeń na minutę i wytwarzało stosunkowo niską pojemność minutową serca w porównaniu z tą wytwarzaną przez konwencjonalny układ napędowy.

Ograniczenie to w początkowych eksperymentach przypisywano dostępnej mocy systemu TET, która nie stanowiła zasadniczej bariery dla tej technologii. Badanie wykazało, że zwiększenie energii wejściowej powinno poprawić pojemność minutową serca, a naukowcy obecnie nad tym pracują.

Co więcej, serce hybrydowe wykazało adaptacyjne właściwości fizjologiczne. Czułość na obciążenie wstępne i następcze oznacza, że ​​serce hybrydowe może regulować swoją moc wyjściową w odpowiedzi na ciśnienie krwi i objętości, tak jak serce naturalne. Osiąga się to pasywnie, naśladując mechanizm Franka-Starlinga, w którym serce zwiększa produkcję w odpowiedzi na zwiększone napełnienie, bez potrzeby stosowania skomplikowanych czujników lub elektroniki.

Konstrukcja pozwala także na indywidualną konfigurację urządzenia, m.in. B. Zmiana długości i położenia drutu dostosowana do indywidualnych wymagań pacjenta.

Chociaż dowód słuszności koncepcji jest obiecujący, prace są wciąż w powijakach. Urządzenie zbudowano w oparciu o materiały prototypowe, a nie komponenty klasy medycznej, a w celu pełnego sprawdzenia bezpieczeństwa, trwałości i wydajności tej technologii konieczne będą dalsze długoterminowe badania na zwierzętach.

Przed zastosowaniem klinicznym wszystkie kluczowe komponenty, w tym wersja w pełni wszczepialna i powłoki stosowane w inżynierii tkankowej, wymagają dalszych szeroko zakrojonych testów, w tym długoterminowych badań na zwierzętach.

Oznaczający

Badanie dostarcza pierwszego dowodu na to, że miękkie techniki robotyki mogą z powodzeniem opracować biokompatybilne sztuczne serce, które będzie w stanie zapewnić odpowiednią pojemność minutową serca w warunkach fizjologicznych.

Serce hybrydowe opracowane w ramach badania może przezwyciężyć wady dostępnych obecnie całkowicie sztucznych serc i potencjalnie zapewnić zarówno powierzchnie przeciwzakrzepowe, jak i wsparcie integracji tkanek.

Na przykład w przyszłości można by dalej udoskonalać technologię powlekania, tak aby uwzględnić cząsteczki, które aktywnie zachęcają komórki organizmu do kolonizacji urządzenia i tworzenia funkcjonalnej wewnętrznej wyściółki. To podwójne podejście do zmniejszania krzepliwości krwi i wspierania integracji tkanek organizmu może zmniejszyć potrzebę trwającej całe życie terapii przeciwzakrzepowej.

Chociaż serce hybrydowe nie jest jeszcze gotowe do użytku klinicznego i wymaga dalszych dokładnych testów i optymalizacji, pokazuje, jak miękka robotyka i inżynieria biomimetyczna mogą zapewnić bezpieczniejsze, funkcjonalne i lepiej przystosowujące się sztuczne serca dla osób w późnym stadium niewydolności serca.

Pobierz teraz swoją kopię PDF!

Źródła: