Prelomová mäkká robotika by mohla predefinovať technológiu umelého srdca

Prelomová mäkká robotika by mohla predefinovať technológiu umelého srdca

Prelomové mäkké robotické srdce by mohlo transformovať liečbu srdcového zlyhania v konečnom štádiu a priviesť nás bližšie ako kedykoľvek predtým k plne funkčným, biokompatibilným umelým orgánom.

Štúdia: Mäkké umelé hybridné srdce. Fotografický kredit: Africa Studio/Shutterstock.com

Výskumníci vyvinuli úplne umelé hybridné srdce pomocou mäkkej robotiky, ktoré môže otvoriť nové obzory v oblasti srdcového zlyhania a transplantačnej medicíny. Článok obsahujúci prvý dôkaz koncepcie tohto nového objavu je publikovaný v časopiseKomunikácia prírody.

pozadia

Srdcové zlyhanie v konečnom štádiu je spojené s vysokou úmrtnosťou. Ochorenie je liečiteľné transplantáciou srdca; Hlavnou nevýhodou je však nedostupnosť darcovských sŕdc. Toto obmedzenie viedlo k vývoju úplne umelých sŕdc a zariadení na podporu ľavej komory.

Tieto umelé zariadenia majú slabú biologickú kompatibilitu, pretože materiály použité na ich navrhnutie nepochádzajú z tela pacienta. Okrem toho tieto zariadenia fyzicky nefungujú na cirkuláciu krvi v tele. Tieto faktory môžu vyvolať tvorbu krvných zrazenín, čo môže následne viesť ku komplikáciám súvisiacim s prietokom krvi.

Perkutánne hnacie zariadenia, ktoré sú potrebné na napájanie a pripojenie v súčasnosti dostupných srdcových zariadení k externému zdroju, majú vysoké riziko infekcie a významne ovplyvňujú kvalitu života pacienta. Tieto komplikácie v súčasnosti obmedzujú klinické využitie celkového počtu umelcov, ktorí sú v súčasnosti k dispozícii.

V súčasnej štúdii výskumníci vyvinuli hybridný totálny umelec, v ktorom sila pumpy pochádza z mäkkej robotiky na fyziologický posun krvi. Zariadenie nazvali „hybridné srdce“.

Hybridné srdce – dizajn a princíp fungovania

Výskumníci navrhli túto novú generáciu totálnych umelcov s myšlienkou, že zariadenie by malo napodobňovať štruktúru a funkciu ľudského srdca. Ľudské srdce má dve komory, ľavú a pravú komoru, ktoré sú oddelené priehradkou (prepážkou). Synchrónna kontrakcia komôr a priehradky má za následok vypudenie krvi z obehových komôr.

Podobne ako ľudské srdce, aj hybridné srdce obsahuje dve umelé komory oddelené mäkkým pneumatickým svalom (septum). Komory a priehradka sú vyrobené z nylonu potiahnutého termoplastickým polyuretánom. Je pozoruhodné, že dizajn tiež zahŕňa viacero nedetailných drôtov usporiadaných v uzavretej slučke, ktoré hrajú kľúčovú úlohu pri napodobňovaní koordinovaných kontrakcií srdca distribúciou síl cez obe komory.

Na nylonový materiál potiahnutý termoplastickým polyuretánom sa na zlepšenie biokompatibility nanášajú supramolekulárne povlaky.

Pozitívny alebo negatívny tlak vzduchu sa používa na nafúknutie a vyfúknutie septa. Keď sa prepážka počas systoly nafúkne, jej vnútorný priemer sa zväčší, čo umožňuje, aby sa okolo nej omotalo viac drôtu. Toto stlačí komory, aby vytlačili krv ako prirodzené srdce. Keď sa prepážka počas diastoly vyprázdňuje, komory sa pasívne napĺňajú.

Špecifickú dĺžku a počet drôtov okolo každej komory je možné upraviť tak, aby sa zmenil srdcový výdaj každej komory, čím sa prispôsobia požiadavky požiadavkám rôznych fyziologických stavov alebo chorôb. Táto nastaviteľnosť môže byť dôležitá na prispôsobenie zariadenia individuálnym požiadavkám pacienta, napríklad pri pľúcnej hypertenzii.

V počiatočných skúškach mäkký robotický systém preukázal schopnosť generovať tlakové krivky podobné tým, ktoré sa vyskytujú pri prirodzenom tepe srdca, čo dáva zariadeniu viac neživý rytmus pumpovania.

Robotický spúšťací mechanizmus poskytuje požadovaný tlakový profil pre septum hybridného srdca. Akčný mechanizmus prevádza riadiace signály do fyzických akcií v rámci systému. Tento mäkký robotický bojový mechanizmus sa pri generovaní srdcového tepu nespolieha na elektroniku. Namiesto toho autonómne a pasívne premieňa konštantný prietok kontinuálneho vzduchového čerpadla na tlakové impulzy, ktoré generujú srdcový tep pre hybridné srdce.

Celkový systém však zahŕňa aj elektronické komponenty na napájanie a riadenie, najmä v budúcich plne implantovateľných verziách.

Funkčné overenie

Laboratórne testovanie hybridného srdca za fyziologických podmienok odhalilo, že zariadenie napodobňuje pumpovaciu fyziológiu ľudského srdca a jeho ľavá komora dokáže pumpovať 5,7 litra krvi za minútu (srdcový výdaj) pri srdcovej frekvencii 60 úderov za minútu. Pretože srdcový výdaj ľavej komory by mal byť vyšší ako výdaj pravej komory, srdcový výdaj pravej komory zariadenia bol upravený na 5 litrov za minútu úpravou dĺžky drôtov okolo pravej komory.

Hybridné srdce bolo ďalej testované na zvieratách chirurgickou implantáciou zariadenia do perikardiálneho priestoru. Zariadenie bolo zodpovedné za všetok prietok krvi zvierat počas testovacieho obdobia 50 minút.

Test na zvieratách bol krátkodobým experimentom, nie dlhodobým implantátom, ktorý poskytol počiatočný dôkaz koncepcie funkcie zariadeniaIn vivo.

Avšak v akútnom teste na zvieratách bol srdcový výdaj nižší akoin vitro(Približne 2,3 litra za minútu pri 65 úderoch za minútu), čo odráža skoré štádium zariadenia, charakter proof-of-concept a očakávané technické obmedzenia.

Výsledky ukázali, že termoplastický polyuretánom potiahnutý nylonový materiál použitý v hybridnom srdci je netoxický, má zlepšenú biokompatibilitu a má silné antitrombogénne vlastnosti vďaka svojim supramolekulárnym povlakom.

zviera ain vitroTestovanie ukázalo významné zníženie adhézie krvných doštičiek a trombózy v porovnaní s nepotiahnutými materiálmi, čo podporuje potenciál dlhodobej krvnej kompatibility.

V laboratórnych experimentoch a experimentoch na zvieratách sa na aktiváciu hybridných sŕdc použil otvorený pneumatický systém. Avšak pre budúce klinické použitie bol vyvinutý plne implantovateľný, uzavretý fluidný hnací systém. Tento systém pozostával z implantovanej vzduchovej pumpy s kontinuálnym prietokom, vzduchového zásobníka a mäkkého robotického ovládacieho systému pripojeného k prepážke v uzavretej cirkulačnej slučke.

Uzavretý fluidný systém bol integrovaný do systému transkutánneho prenosu energie (TET) na bezdrôtové poskytovanie elektrickej energie pumpe. Vonkajšia Tet cievka umiestnená na koži pacienta presiahla silu v subkutánne implantovanej vnútornej Tet cievke, zatiaľ čo koža zostala neporušená.

Tento prístup môže potenciálne znížiť riziko infekcie a zlepšiť kvalitu života pacientov tým, že im umožní dočasne sa odpojiť od zdroja energie a venovať sa činnostiam, ako je sprchovanie alebo plávanie.

Testovanie tohto uzavretého fluidného systému odhalilo, že keď bolo poháňané čerpadlo s kontinuálnym prietokom, hybridné srdce automaticky začalo biť pri srdcovej frekvencii 35 bpm a produkovalo relatívne nízky srdcový výdaj v porovnaní s tým, ktorý produkuje konvenčný hnací systém.

Toto obmedzenie bolo v počiatočných experimentoch pripisované dostupnému výkonu systému TET, ktorý nepredstavoval zásadnú prekážku technológie. Výskum zistil, že zvýšenie vstupnej energie by malo zlepšiť srdcový výdaj a vedci na tom v súčasnosti pracujú.

Okrem toho hybridné srdce preukázalo adaptívne fyziologické vlastnosti. Citlivosť pred zaťažením a po zaťažení znamená, že hybridné srdce dokáže upraviť svoj výkon v závislosti od krvného tlaku a objemov ako prirodzené srdce. To sa dosahuje pasívne, napodobňujúc mechanizmus Frank-Starling, pričom srdce zvyšuje produkciu v reakcii na zvýšenú náplň, bez potreby zložitých senzorov alebo elektroniky.

Konštrukcia umožňuje aj individuálnu konfiguráciu zariadenia, napr. B. Zmena dĺžky a polohy drôtu prispôsobená individuálnym požiadavkám pacienta.

Zatiaľ čo dôkaz koncepcie je sľubný, práca je stále v plienkach. Zariadenie bolo postavené na prototypových materiáloch a nie na komponentoch medicínskej kvality a na úplné overenie bezpečnosti, odolnosti a výkonu technológie budú potrebné ďalšie dlhodobé štúdie na zvieratách.

Pred klinickým použitím si všetky kľúčové komponenty, vrátane plne implantovateľnej verzie a povlakov tkanivového inžinierstva, vyžadujú rozsiahle ďalšie testovanie, vrátane dlhodobých štúdií na zvieratách.

Význam

Štúdia poskytuje prvý dôkaz, že mäkké robotické techniky môžu úspešne vyvinúť biokompatibilné umelé srdce, ktoré dokáže za fyziologických podmienok dodať adekvátny srdcový výdaj.

Hybridné srdce vyvinuté v štúdii môže prekonať nedostatky v súčasnosti dostupných celkových umelých sŕdc a potenciálne poskytnúť antitrombogénne povrchy a podporu integrácie tkaniva.

V budúcnosti by sa napríklad mohla ďalej rozvíjať technológia poťahovania tak, aby zahŕňala molekuly, ktoré aktívne povzbudzujú bunky tela, aby kolonizovali zariadenie a vytvorili funkčnú vnútornú výstelku. Tento duálny prístup k zníženiu zrážanlivosti krvi a podpore integrácie telesných tkanív by mohol znížiť potrebu celoživotnej antikoagulačnej liečby.

Hoci hybridné srdce ešte nie je pripravené na klinické použitie a vyžaduje si ďalšie dôkladné testovanie a optimalizáciu, ukazuje, ako môže mäkká robotika a biomimetické inžinierstvo poskytnúť bezpečnejšie, funkčné a adaptabilnejšie umelé srdcia pre tých, ktorí sú v pokročilom štádiu srdcového zlyhania.

Stiahnite si svoju kópiu PDF teraz!

Zdroje: