Robotica soft inovatoare ar putea redefini tehnologia inimii artificiale

Robotica soft inovatoare ar putea redefini tehnologia inimii artificiale

O inimă robotică moale inovatoare ar putea transforma tratamentul pentru insuficiența cardiacă în stadiu terminal și ne-ar apropia mai mult ca niciodată de organele artificiale biocompatibile, pe deplin funcționale.

Studiu: O inimă hibridă artificială moale. Credit foto: Africa Studio/Shutterstock.com

Cercetatorii au dezvoltat o inima hibrida artificiala totala prin robotica soft care poate deschide noi orizonturi in insuficienta cardiaca si medicina transplantului. Articolul care conține prima dovadă de concept a acestei noi descoperiri este publicat în jurnalComunicarea naturii.

fundal

Insuficiența cardiacă în stadiu terminal este asociată cu o rată ridicată a mortalității. Boala este tratabilă prin transplant de inimă; Cu toate acestea, indisponibilitatea inimilor donatoare este principalul dezavantaj. Această limitare a condus la dezvoltarea inimii artificiale totale și a dispozitivelor de asistență ventriculară stângă.

Aceste dispozitive artificiale au o biocompatibilitate slabă deoarece materialele folosite pentru proiectarea lor nu sunt derivate din corpul pacientului. În plus, aceste dispozitive nu funcționează fizic pentru a circula sângele în tot corpul. Acești factori pot induce formarea cheagurilor de sânge, care ulterior pot duce la complicații legate de fluxul sanguin.

Dispozitivele de propulsie percutanată, care sunt necesare pentru a alimenta și conecta dispozitivele cardiace disponibile în prezent la o sursă externă, au un risc ridicat de infecție și au un impact semnificativ asupra calității vieții pacientului. Aceste complicații limitează în prezent utilizarea clinică a totalului artiștilor disponibili în prezent.

În studiul actual, cercetătorii au dezvoltat un artist total hibrid în care puterea pompei provine de la robotica moale pentru a avansa fiziologic sângele. Ei au numit dispozitivul o „inimă hibridă”.

Inimă hibridă – proiectare și principiu de funcționare

Cercetătorii au conceput această nouă generație de artiști totali cu ideea că dispozitivul ar trebui să imite structura și funcția inimii umane. Inima umană are două camere, ventriculul stâng și cel drept, care sunt separate printr-un sept (un despărțitor). Contracția sincronă a ventriculilor și a septului are ca rezultat eliminarea sângelui din ventriculii circulanți.

Ca și inima umană, inima hibridă conține două camere artificiale separate de un mușchi pneumatic moale (sept). Ventriculele și septul sunt realizate din nailon acoperit cu poliuretan termoplastic. În special, designul include și mai multe fire nedetaliate aranjate într-o buclă închisă care joacă un rol cheie în imitarea contracțiilor coordonate ale inimii prin distribuirea forțelor în ambii ventriculi.

Acoperirile supramoleculare sunt aplicate pe materialul din nailon acoperit cu poliuretan termoplastic pentru a îmbunătăți biocompatibilitatea.

Presiunea aerului pozitivă sau negativă este utilizată pentru a umfla și dezumfla septul. Pe măsură ce septul se umflă în timpul sistolei, diametrul său interior crește, permițând să fie înfășurat mai multă sârmă în jurul lui. Acest lucru stoarce ventriculii pentru a ejecta sânge ca o inimă naturală. Pe măsură ce septul se golește în timpul diastolei, ventriculii se umplu pasiv.

Lungimea specifică și numărul de fire din jurul fiecărui ventricul pot fi ajustate pentru a modifica debitul cardiac al fiecărei camere, adaptând astfel cerințele la cerințele diferitelor condiții fiziologice sau boli. Această adaptabilitate ar putea fi importantă pentru a adapta dispozitivul la cerințele individuale ale pacientului, de exemplu în hipertensiunea pulmonară.

În primele teste, sistemul robotic moale a demonstrat capacitatea de a genera curbe de presiune similare cu cele ale bătăilor naturale ale inimii, oferind dispozitivului un ritm de pompare mai lipsit de viață.

Un mecanism de acţionare robotizat asigură profilul de presiune necesar pentru septul inimii hibride. Mecanismul de acționare traduce semnalele de control în acțiuni fizice în cadrul unui sistem. Acest mecanism de luptă robotizat moale nu se bazează pe electronice pentru a genera bătăile inimii. În schimb, convertește în mod autonom și pasiv debitul constant al unei pompe de aer continue în impulsuri de presiune care generează bătăile inimii pentru inima hibridă.

Cu toate acestea, sistemul global include și componente electronice pentru putere și control, în special în viitoarele versiuni complet implantabile.

Validare funcțională

Testele de laborator ale inimii hibride în condiții fiziologice au arătat că dispozitivul imită fiziologia de pompare a inimii umane și ventriculul său stâng poate pompa 5,7 litri de sânge pe minut (debit cardiac) la o frecvență cardiacă de 60 de bătăi pe minut. Deoarece debitul cardiac al ventriculului stâng ar trebui să fie mai mare decât al ventriculului drept, debitul cardiac al ventriculului drept al dispozitivului a fost ajustat la 5 litri pe minut prin ajustarea lungimii firelor din jurul ventriculului drept.

Inima hibridă a fost testată în continuare pe animale prin implantarea chirurgicală a dispozitivului în spațiul pericardic. Dispozitivul a fost responsabil pentru tot fluxul de sânge animal pe o perioadă de testare de 50 de minute.

Testul pe animale a fost un experiment pe termen scurt, nu un implant pe termen lung, oferind o dovadă inițială a conceptului pentru funcționarea dispozitivului.In vivo.

Cu toate acestea, la testul acut pe animale, debitul cardiac a fost mai mic decâtin vitro(Aproximativ 2,3 litri pe minut la 65 bpm), reflectând stadiul incipient al dispozitivului, caracterul de dovadă a conceptului și limitările tehnice așteptate.

Rezultatele au arătat că materialul de nailon acoperit cu poliuretan termoplastic utilizat în inima hibridă este non-toxic, are o biocompatibilitate îmbunătățită și are proprietăți anti-trombogenice puternice datorită învelișurilor supramoleculare.

animal şiin vitroTestele au arătat o reducere semnificativă a aderenței trombocitelor și a trombozei în comparație cu materialele neacoperite, susținând potențialul de compatibilitate pe termen lung a sângelui.

În experimentele de laborator și pe animale, a fost folosit un sistem pneumatic deschis pentru a acționa inimile hibride. Cu toate acestea, a fost dezvoltat un sistem de conducere fluidic complet implantabil, închis pentru utilizare clinică viitoare. Acest sistem a constat dintr-o pompă de aer cu flux continuu implantată, un rezervor de aer și un sistem de acționare robot moale conectat la sept într-o buclă de circulație închisă.

Sistemul fluidic închis a fost integrat într-un sistem de transfer transcutanat de energie (TET) pentru a furniza fără fir energie electrică pompei. Bobina Tet externă plasată pe pielea pacientului a depășit forța din bobina Tet internă implantată subcutanat în timp ce pielea a rămas intactă.

Această abordare poate reduce riscul de infecție și poate îmbunătăți calitatea vieții pacienților, permițându-le să se deconecteze temporar de la o sursă de energie și să se angajeze în activități precum dușul sau înotul.

Testarea acestui sistem fluidic închis a arătat că atunci când pompa de flux continuu a fost alimentată, inima hibridă a început automat să bată cu o frecvență cardiacă de 35 bpm și a produs un debit cardiac relativ scăzut în comparație cu cel produs de sistemul de conducere convențional.

Această limitare a fost atribuită în experimentele inițiale puterii disponibile a sistemului TET, care nu a fost o barieră fundamentală în calea tehnologiei. Cercetarea a constatat că creșterea energiei de intrare ar trebui să îmbunătățească debitul cardiac, iar cercetătorii lucrează în prezent la acest lucru.

În plus, inima hibridă a demonstrat proprietăți fiziologice adaptative. Sensibilitatea la preîncărcare și la postîncărcare înseamnă că inima hibridă își poate ajusta puterea ca răspuns la tensiunea arterială și volumele ca o inimă naturală. Acest lucru se realizează pasiv, imitând mecanismul Frank-Starling, prin care inima crește producția ca răspuns la umplerea crescută, fără a fi nevoie de senzori sau electronice complexe.

Designul permite, de asemenea, configurarea individuală a dispozitivului, de ex. B. Modificarea lungimii și a poziției firului, adaptate cerințelor individuale ale pacientului.

În timp ce dovada conceptului este promițătoare, lucrarea este încă la început. Dispozitivul a fost construit mai degrabă pe materiale de prototipare decât pe componente de calitate medicală și vor fi necesare studii suplimentare pe termen lung pe animale pentru a valida pe deplin siguranța, durabilitatea și performanța tehnologiei.

Înainte de utilizare clinică, toate componentele cheie, inclusiv versiunea complet implantabilă și acoperirile de inginerie tisulară, necesită teste suplimentare extinse, inclusiv studii pe termen lung pe animale.

Sens

Studiul oferă primele dovezi că tehnicile robotice moi pot dezvolta cu succes o inimă artificială biocompatibilă care poate furniza un debit cardiac adecvat în condiții fiziologice.

Inima hibridă dezvoltată în studiu poate depăși deficiențele inimilor artificiale totale disponibile în prezent și poate oferi atât suprafețe anti-trombogenice, cât și sprijin pentru integrarea țesuturilor.

De exemplu, în viitor, tehnologia de acoperire ar putea fi dezvoltată în continuare pentru a include molecule care încurajează în mod activ celulele corpului să colonizeze dispozitivul și să formeze o căptușeală interioară funcțională. Această abordare dublă pentru reducerea coagulării sângelui și susținerea integrării țesuturilor organismului ar putea reduce necesitatea terapiei anticoagulante pe tot parcursul vieții.

Deși inima hibridă nu este încă pregătită pentru utilizare clinică și necesită testare și optimizare amănunțită, ea arată cum robotica moale și ingineria biomimetică pot oferi inimi artificiale mai sigure, funcționale și mai adaptabile pentru cei aflați în insuficiență cardiacă în stadiu avansat.

Descărcați copia dvs. PDF acum!

Surse: