Banbrytande mjuk robotik skulle kunna omdefiniera artificiell hjärtteknologi

Banbrytande mjuk robotik skulle kunna omdefiniera artificiell hjärtteknologi

Ett banbrytande mjukt robothjärta kan förvandla behandling för hjärtsvikt i slutstadiet och föra oss närmare än någonsin fullt fungerande, biokompatibla konstgjorda organ.

Studie: Ett mjukt konstgjort hybridhjärta. Fotokredit: Africa Studio/Shutterstock.com

Forskarna utvecklade ett totalt artificiellt hybridhjärta genom mjuk robotik som kan öppna nya vyer inom hjärtsvikt och transplantationsmedicin. Artikeln som innehåller det första proof of concept för denna nya upptäckt publiceras i tidskriftenNaturkommunikation.

bakgrund

Hjärtsvikt i slutstadiet är förknippat med en hög dödlighet. Sjukdomen kan behandlas genom hjärttransplantation; Emellertid är otillgängligheten av donatorhjärtan den största nackdelen. Denna begränsning har lett till utvecklingen av totala konstgjorda hjärtan och vänsterkammarhjälpanordningar.

Dessa konstgjorda anordningar har dålig biokompatibilitet eftersom materialen som används för att designa dem inte härrör från patientens kropp. Dessutom fungerar dessa enheter inte fysiskt för att cirkulera blod i hela kroppen. Dessa faktorer kan inducera bildning av blodpropp, vilket sedan kan leda till komplikationer relaterade till blodflödet.

Perkutan framdrivningsanordningar, som krävs för att driva och ansluta för närvarande tillgängliga hjärtanordningar till en extern källa, har en hög risk för infektion och påverkar avsevärt en patients livskvalitet. Dessa komplikationer begränsar för närvarande den kliniska användningen av det totala antalet artister som för närvarande är tillgängliga.

I den aktuella studien utvecklade forskare en hybrid total artist där pumpkraften kommer från mjuk robotik för att fysiologiskt främja blodet. De kallade enheten för ett "hybridhjärta".

Hybrid hjärta – design och arbetsprincip

Forskare designade denna nya generation av totalkonstnärer med idén att enheten skulle efterlikna det mänskliga hjärtats struktur och funktion. Det mänskliga hjärtat har två kammare, vänster och höger kammare, som är åtskilda av en septum (en skiljevägg). Den synkrona sammandragningen av ventriklarna och skiljeväggen resulterar i att blod drivs ut från de cirkulerande ventriklarna.

Liksom det mänskliga hjärtat innehåller hybridhjärtat två konstgjorda kammare åtskilda av en mjuk pneumatisk muskel (septum). Ventriklarna och septum är gjorda av nylon belagd med termoplastisk polyuretan. Noterbart inkluderar designen också flera icke-detaljerbara ledningar arrangerade i en sluten slinga som spelar en nyckelroll i att efterlikna hjärtats koordinerade sammandragningar genom att fördela krafter över båda ventriklarna.

Supramolekylära beläggningar appliceras på det termoplastiska polyuretanbelagda nylonmaterialet för att förbättra biokompatibiliteten.

Positivt eller negativt lufttryck används för att blåsa upp och tömma septumet. När septum blåses upp under systole ökar dess innerdiameter, vilket gör att mer tråd kan lindas runt den. Detta klämmer ventriklarna för att spruta ut blod som ett naturligt hjärta. När skiljeväggen töms under diastolen fylls ventriklarna passivt på nytt.

Den specifika längden och antalet ledningar runt varje ventrikel kan justeras för att ändra hjärtminutvolymen i varje kammare, och därigenom anpassa kraven till kraven för olika fysiologiska tillstånd eller sjukdomar. Denna justerbarhet kan vara viktig för att anpassa enheten till individuella patientbehov, till exempel vid pulmonell hypertoni.

I tidiga försök visade det mjuka robotsystemet förmågan att generera tryckkurvor som liknar de i naturliga hjärtslag, vilket ger enheten en mer livlös pumprytm.

En robotaktiveringsmekanism tillhandahåller den erforderliga tryckprofilen för hybridhjärtats septum. Aktiveringsmekanismen översätter styrsignaler till fysiska åtgärder inom ett system. Denna mjuka robotbaserade stridsmekanism är inte beroende av elektronik för att generera ett hjärtslag. Istället omvandlar den autonomt och passivt det konstanta flödet av en kontinuerlig luftpump till tryckpulser som genererar hjärtslag för hybridhjärtat.

Men det övergripande systemet inkluderar även elektroniska komponenter för kraft och kontroll, särskilt i framtida fullt implanterbara versioner.

Funktionell validering

Laboratorietester av hybridhjärtat under fysiologiska förhållanden avslöjade att enheten efterliknar det mänskliga hjärtats pumpfysiologi och dess vänstra ventrikel kan pumpa 5,7 liter blod per minut (hjärtvolym) med en hjärtfrekvens på 60 slag per minut. Eftersom den vänstra ventrikelns hjärtminutvolym bör vara högre än den högra ventrikeln, justerades enhetens högra ventrikels hjärtminutvolym till 5 liter per minut genom att justera längden på ledningarna runt den högra ventrikeln.

Hybridhjärtat testades ytterligare på djur genom att kirurgiskt implantera anordningen i det perikardiska utrymmet. Anordningen var ansvarig för allt djurblodflöde under en testperiod på 50 minuter.

Djurförsöket var ett korttidsexperiment, inte ett långsiktigt implantat, vilket gav ett första bevis på enhetens funktionIn vivo.

I det akuta djurförsöket var dock hjärtminutvolymen lägre änin vitro(Cirka 2,3 liter per minut vid 65 bpm), vilket återspeglar enhetens tidiga skede, proof-of-concept karaktär och förväntade tekniska begränsningar.

Resultaten visade att det termoplastiska polyuretanbelagda nylonmaterialet som används i hybridhjärtat är ogiftigt, har förbättrad biokompatibilitet och har starka antitrombogena egenskaper på grund av deras supramolekylära beläggningar.

djur ochin vitroTester visade en signifikant minskning av trombocytvidhäftning och trombos jämfört med obelagda material, vilket stöder potentialen för långvarig blodkompatibilitet.

I laboratorie- och djurförsök användes ett öppet pneumatiskt system för att aktivera hybridhjärtan. Ett helt implanterbart, slutet vätskedrivsystem har dock utvecklats för framtida klinisk användning. Detta system bestod av en implanterad luftpump med kontinuerligt flöde, en luftreservoar och ett mjukt robotiskt manöversystem kopplat till septumet i en sluten cirkulationsslinga.

Det slutna fluidiska systemet integrerades i ett transkutan energiöverföringssystem (TET) för att trådlöst tillhandahålla elektrisk energi till pumpen. Den externa Tet-spolen som placerades på patientens hud överskred kraften i den subkutant implanterade interna Tet-spolen medan huden förblev intakt.

Detta tillvägagångssätt kan potentiellt minska risken för infektion och förbättra patienternas livskvalitet genom att tillåta dem att tillfälligt koppla från en strömkälla och delta i aktiviteter som att duscha eller simma.

Testning av detta slutna vätskesystem avslöjade att när pumpen med kontinuerligt flöde drevs, började hybridhjärtat automatiskt slå med en hjärtfrekvens på 35 slag/min och producerade en relativt låg hjärtminutvolym jämfört med den som produceras av det konventionella körsystemet.

Denna begränsning tillskrevs i de inledande experimenten till TET-systemets tillgängliga kraft, vilket inte var en grundläggande barriär för tekniken. Forskningen fann att ökad tillförd energi skulle förbättra hjärtminutvolymen, och forskare arbetar för närvarande med detta.

Dessutom visade hybridhjärtat adaptiva fysiologiska egenskaper. Förbelastnings- och efterbelastningskänslighet innebär att hybridhjärtat kan justera sin uteffekt som svar på blodtryck och volymer som ett naturligt hjärta. Detta uppnås passivt, efterliknar Frank-Starling-mekanismen, där hjärtat ökar produktionen som svar på ökad fyllning, utan behov av komplexa sensorer eller elektronik.

Designen möjliggör även individuell konfiguration av enheten, t.ex. B. Ändra trådlängden och positionen skräddarsydd för individuella patientbehov.

Även om proof of concept är lovande, är arbetet fortfarande i sin linda. Enheten byggdes på prototypmaterial snarare än komponenter av medicinsk kvalitet, och ytterligare långtidsstudier på djur kommer att krävas för att fullständigt validera teknikens säkerhet, hållbarhet och prestanda.

Före klinisk användning kräver alla nyckelkomponenter, inklusive den helt implanterbara versionen och vävnadstekniska beläggningar, omfattande ytterligare tester, inklusive långtidsstudier på djur.

Menande

Studien ger det första beviset på att mjuka robottekniker framgångsrikt kan utveckla ett biokompatibelt konstgjort hjärta som kan leverera adekvat hjärtminutvolym under fysiologiska förhållanden.

Hybridhjärtat som utvecklats i studien kan övervinna bristerna med för närvarande tillgängliga totala konstgjorda hjärtan och potentiellt ge både antitrombogena ytor och stöd för vävnadsintegration.

Till exempel skulle beläggningstekniken i framtiden kunna vidareutvecklas för att inkludera molekyler som aktivt uppmuntrar kroppens celler att kolonisera enheten och bilda ett funktionellt inre foder. Detta dubbla tillvägagångssätt för att minska blodkoagulering och stödja kroppens vävnadsintegration kan minska behovet av livslång antikoagulationsterapi.

Även om hybridhjärtat ännu inte är redo för klinisk användning och kräver ytterligare grundliga tester och optimering, visar det hur mjuk robotik och biomimetisk ingenjörskonst kan ge säkrare, funktionella och mer anpassningsbara konstgjorda hjärtan för dem som lider av hjärtsvikt i sent skede.

Ladda ner din PDF-kopia nu!

Källor: