突破性的软机器人技术可以重新定义人工心脏技术

突破性的软机器人技术可以重新定义人工心脏技术

突破性的软机器人心脏可以改变终末期心力衰竭的治疗方法，并使我们比以往任何时候都更接近功能齐全、生物相容的人造器官。

研究：柔软的人造混合心脏。图片来源：Africa Studio/Shutterstock.com

研究人员通过软机器人开发了一种完全人工混合心脏，可以为心力衰竭和移植医学开辟新的视野。包含这一新发现的第一个概念证明的文章发表在期刊上自然交流。

背景

终末期心力衰竭与高死亡率相关。这种疾病可以通过心脏移植来治疗；然而，无法获得捐赠心脏是主要缺点。这种限制导致了全人工心脏和左心室辅助装置的发展。

这些人造装置的生物相容性较差，因为用于设计它们的材料并非来自患者身体。此外，这些装置在物理上无法使血液循环到全身。这些因素会诱导血凝块形成，从而导致与血流相关的并发症。

经皮推进装置需要为现有的心脏装置提供动力并将其连接到外部来源，其感染风险很高，并且会严重影响患者的生活质量。这些并发症目前限制了现有艺术家的临床使用。

在当前的研究中，研究人员开发了一种混合整体艺术家，其中泵动力来自软机器人技术，以在生理上推进血液。他们称该设备为“混合心脏”。

混合心脏——设计和工作原理

研究人员设计了新一代的全能艺术家，其理念是该设备应该模仿人类心脏的结构和功能。人的心脏有两个心室，即左心室和右心室，它们被隔膜（隔板）隔开。心室和隔膜的同步收缩导致血液从循环心室中排出。

与人类心脏一样，混合心脏包含两个由柔软的气动肌肉（隔膜）隔开的人造腔室。心室和隔膜由涂有热塑性聚氨酯的尼龙制成。值得注意的是，该设计还包括多条排列在闭环中的未详细说明的电线，这些电线通过在两个心室上分配力来模拟心脏的协调收缩，发挥着关键作用。

将超分子涂层应用于热塑性聚氨酯涂层尼龙材料，以提高生物相容性。

使用正气压或负气压对隔膜进行充气和放气。随着隔膜在收缩期间膨胀，其内径增大，从而允许更多的金属丝缠绕在其周围。这会挤压心室以像天然心脏一样喷射血液。当心室间隔在舒张期排空时，心室被动地再充盈。

可以调节每个心室周围导线的具体长度和数量，以改变每个心室的心输出量，从而适应不同生理状况或疾病的要求。这种可调节性对于使设备适应个体患者的需求（例如肺动脉高压）非常重要。

在早期试验中，软机器人系统展示了生成类似于自然心跳的压力曲线的能力，从而使该设备具有更无生气的泵送节奏。

机器人驱动机构为混合心脏的隔膜提供所需的压力分布。致动机制将控制信号转化为系统内的物理动作。这种软机器人战斗机制不依赖电子设备来产生心跳。相反，它自主且被动地将连续气泵的恒定流量转换为压力脉冲，从而为混合心脏产生心跳。

然而，整个系统还包括用于电源和控制的电子元件，特别是在未来的完全植入版本中。

功能验证

在生理条件下对混合心脏进行的实验室测试表明，该设备模仿了人类心脏的泵血生理学，其左心室可以在每分钟 60 次心率的情况下每分钟泵送 5.7 升血液（心输出量）。由于左心室心输出量应高于右心室，因此通过调节右心室周围导线的长度，将装置的右心室心输出量调整为每分钟5升。

通过手术将该装置植入心包腔，对混合心脏进行了进一步的动物测试。该装置负责 50 分钟测试期间所有动物的血流。

动物测试是一项短期实验，而不是长期植入，为设备的功能提供了初步的概念验证体内。

然而，在急性动物试验中，心输出量低于体外（65 bpm 时每分钟约 2.3 升），反映了该设备的早期阶段、概念验证性质和预期的技术限制。

结果表明，用于混合心脏的热塑性聚氨酯涂层尼龙材料无毒，具有改善的生物相容性，并且由于其超分子涂层而具有很强的抗血栓形成性能。

动物和体外测试显示，与未涂层材料相比，血小板粘附和血栓形成显着减少，支持了长期血液相容性的潜力。

在实验室和动物实验中，使用开放式气动系统来驱动混合心脏。然而，一种完全植入式、封闭式流体驱动系统已经开发出来，供未来临床使用。该系统由植入的连续流气泵、储气罐和在闭合循环回路中连接到隔膜的软机器人驱动系统组成。

封闭式流体系统集成到经皮能量传输（TET）系统中，以无线方式向泵提供电能。放置在患者皮肤上的外部 Tet 线圈超过皮下植入的内部 Tet 线圈的力，同时皮肤保持完整。

这种方法可以让患者暂时断开电源并进行淋浴或游泳等活动，从而潜在地降低感染风险并改善患者的生活质量。

对这种封闭流体系统的测试表明，当连续流泵通电时，混合心脏会自动开始以 35 bpm 的心率跳动，并产生与传统驱动系统相比相对较低的心输出量。

在最初的实验中，这种限制归因于 TET 系统的可用功率，这并不是该技术的根本障碍。研究发现，增加输入能量应该会提高心输出量，研究人员目前正在研究这一问题。

此外，混合心脏表现出适应性生理特性。预载和后载敏感性意味着混合心脏可以像自然心脏一样根据血压和容量调整其输出。这是被动地实现的，模仿 Frank-Starling 机制，即心脏随着填充的增加而增加产量，而不需要复杂的传感器或电子设备。

该设计还允许对设备进行单独配置，例如B. 根据个别患者的要求更改导线长度和位置。

虽然概念验证很有希望，但这项工作仍处于起步阶段。该设备是基于原型材料而不是医疗级组件构建的，需要进一步的长期动物研究来充分验证该技术的安全性、耐用性和性能。

在临床使用之前，所有关键组件，包括完全植入版本和组织工程涂层，都需要进行广泛的进一步测试，包括长期动物研究。

意义

该研究提供了第一个证据，证明软机器人技术可以成功开发生物相容性人造心脏，在生理条件下可以提供足够的心输出量。

该研究中开发的混合心脏可以克服目前可用的全人工心脏的缺点，并有可能提供抗血栓形成表面和组织整合支持。

例如，在未来，涂层技术可以进一步发展，以包含积极鼓励人体细胞定殖于设备并形成功能性内衬的分子。这种减少血液凝固和支持身体组织整合的双重方法可以减少终生抗凝治疗的需要。

尽管混合心脏尚未准备好投入临床使用，需要进一步彻底的测试和优化，但它展示了软机器人技术和仿生工程如何为晚期心力衰竭患者提供更安全、功能性和适应性更强的人造心脏。

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