ingeniører designer bionic” heart ” til test af proteseventiler, andre hjerteapparater

da den geriatriske befolkning forventes at ballonere i det kommende årti, vil også antallet af hjertesygdomme i USA. Efterspørgslen efter protetiske hjerteklapper og andre hjerteapparater — et marked, der værdiansættes til mere end $5 milliarder dollars i dag — forventes at stige med næsten 13 procent i de næste seks år.Proteseventiler er designet til at efterligne en ægte, sund hjerteventil, der hjælper med at cirkulere blod gennem kroppen. Imidlertid har mange af dem problemer som lækage omkring ventilen, og ingeniører, der arbejder for at forbedre disse designs, skal teste dem gentagne gange, først i enkle benchtop — simulatorer, derefter i dyrefag, inden de når menneskelige forsøg-en vanskelig og dyr proces.

nu har ingeniører hos MIT og andre steder udviklet et bionisk “hjerte”, der tilbyder en mere realistisk model til test af kunstige ventiler og andre hjerteapparater.

enheden er et ægte biologisk hjerte, hvis hårde muskelvæv er blevet erstattet med en blød robotmatrice af kunstige hjertemuskler, der ligner bobleplast. Orienteringen af de kunstige muskler efterligner mønsteret af hjertets naturlige muskelfibre på en sådan måde, at når forskerne eksternt blæser boblerne, virker de sammen for at klemme og vride det indre hjerte, svarende til den måde, et ægte, hele hjerte slår og pumper blod.

med dette nye design, som de kalder et “biorobotisk hybridhjerte”, forestiller forskerne, at enhedsdesignere og ingeniører kunne gentage og finjustere design hurtigere ved at teste på biohybrid-hjertet, hvilket reducerer omkostningerne ved udvikling af hjerteenheder markant.

“regulatorisk test af hjerteapparater kræver mange træthedstest og dyreforsøg,” siger Ellen Roche, adjunkt i maskinteknik ved mit. “kunne realistisk repræsentere, hvad der sker i et rigtigt hjerte, for at reducere mængden af dyreforsøg eller gentage designet hurtigere.”

Roche og hendes kolleger har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Science Robotics. Hendes medforfattere er hovedforfatter og mit-kandidatstuderende Clara Park, sammen med Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunu Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas og hans medforfattere på MIT sammen med samarbejdspartnere fra Nanyang Technology University, Royal College of Surgeons i Dublin, Boston ‘ s Børnehospital, Harvard Medical School og Massachusetts General Hospital.

strukturen af det biorobotiske hybridhjerte under magnetisk resonansbilleddannelse. Kredit: Christopher T. Nguyen

“hjertets mekanik”

før han kom til MIT, arbejdede Roche kort i den biomedicinske industri og hjalp med at teste hjerteapparater på kunstige hjertemodeller i laboratoriet.

” på det tidspunkt følte jeg ikke, at nogen af disse benchtop-opsætninger var repræsentative for både anatomien og den fysiologiske biomekanik i hjertet,” minder Roche om. “Der var et udækket behov med hensyn til enhedstest.”

i separat forskning som en del af hendes doktorgradsarbejde ved Harvard University udviklede hun en blød, robot, implanterbar ærme, designet til at vikle rundt om et helt, levende hjerte for at hjælpe det med at pumpe blod hos patienter, der lider af hjertesvigt.

på MIT spekulerede hun og Park på, om de kunne kombinere de to forskningsveje for at udvikle et hybridhjerte: et hjerte, der er lavet dels af kemisk konserveret, eksplanteret hjertevæv og dels af bløde kunstige aktuatorer, der hjælper hjertet med at pumpe blod. En sådan model, de foreslog, skulle være et mere realistisk og holdbart miljø, hvor man kan teste hjerteapparater sammenlignet med modeller, der enten er helt kunstige, men ikke fanger hjertets komplekse anatomi, eller er lavet af et ægte eksplanteret hjerte, der kræver stærkt kontrollerede forhold for at holde vævet i live.

holdet overvejede kort at indpakke et helt, eksplanteret hjerte i en blød robothylster, svarende til Roches tidligere arbejde, men indså, at hjertets ydre muskelvæv, myokardiet, hurtigt blev stivnet, når det blev fjernet fra kroppen. Enhver robotkontraktion ved ærmet ville ikke oversætte tilstrækkeligt til hjertet indeni.

i stedet ledte teamet efter måder at designe en blød robotmatrice til at erstatte hjertets naturlige muskelvæv, både i materiale og funktion. De besluttede at prøve deres ide først på hjertets venstre ventrikel, et af fire kamre i hjertet, som pumper blod til resten af kroppen, mens højre ventrikel bruger mindre kraft til at pumpe blod til lungerne.

“den venstre ventrikel er den sværere at genskabe i betragtning af dens højere driftstryk, og vi kan godt lide at starte med de hårde udfordringer,” siger Roche.

hjertet, udfoldet

hjertet pumper normalt blod ved at klemme og vride, en kompleks kombination af bevægelser, der er et resultat af justeringen af muskelfibre langs det ydre myokardium, der dækker hvert af hjertets ventrikler. Holdet planlagde at fremstille en matrice af kunstige muskler, der lignede oppustelige bobler, justeret i retningen af den naturlige hjertemuskel. Men kopiering af disse mønstre ved at studere en ventrikels tredimensionelle geometri viste sig ekstremt udfordrende.

de kom til sidst over den spiralformede ventrikulære myokardbåndsteori, ideen om, at hjertemuskel i det væsentlige er et stort spiralformet bånd, der vikles rundt om hvert af hjertets ventrikler. Denne teori er stadig genstand for debat af nogle forskere, men Roche og hendes kolleger tog det som inspiration til deres design. I stedet for at forsøge at kopiere venstre ventrikels muskelfiberorientering fra et 3D — perspektiv besluttede holdet at fjerne ventrikelens ydre muskelvæv og pakke det ud for at danne et langt, fladt bånd-en geometri, der skulle være langt lettere at genskabe. I dette tilfælde brugte de hjertevævet fra et eksplanteret svinehjerte.

i samarbejde med medforfatter Chris Nguyen hos MGH brugte forskerne diffusion tensor imaging, en avanceret teknik, der typisk sporer, hvordan vand strømmer gennem hvidt stof i hjernen, for at kortlægge de mikroskopiske fiberretninger i en venstre ventrikels udfoldede, todimensionale muskelbånd. De fremstillede derefter en matrice af kunstige muskelfibre fremstillet af tynde luftrør, der hver var forbundet med en række oppustelige lommer eller bobler, hvis orientering de mønstrede efter de afbildede muskelfibre.

bevægelse af det biorobotiske hybridhjerte efterligner hjertets pumpebevægelse under ekkokardiografi. Kredit: Mossab Saeed

den bløde matrice består af to lag silikone med et vandopløseligt lag mellem dem for at forhindre lagene i at klæbe, samt to lag laserskåret papir, som sikrer, at boblerne blæser op i en bestemt retning.

forskerne udviklede også en ny type bioadhæsiv til at klæbe bobleindpakningen til ventrikelens virkelige, intrakardiale væv. Mens der findes klæbemidler til binding af biologiske væv til hinanden, og og for materialer som silikone til hinanden, indså holdet, at få bløde klæbemidler gør et passende stykke arbejde med at lime biologisk væv sammen med syntetiske materialer, især silikone.

så Roche samarbejdede med Jhao, lektor i maskinteknik ved MIT, der specialiserer sig i udvikling af hydrogelbaserede klæbemidler. Det nye klæbemiddel, der hedder TissueSil, blev fremstillet ved at funktionalisere silikone i en kemisk tværbindingsproces for at binde med komponenter i hjertevæv. Resultatet var en tyktflydende væske, som forskerne børstede på den bløde robotmatrice. De børstede også limen på et nyt eksplanteret svinehjerte, der havde fjernet sin venstre ventrikel, men dens endokardiale strukturer bevaret. Da de viklede den kunstige muskelmatrice omkring dette væv, bundet de to tæt sammen.

endelig placerede forskerne hele hybridhjertet i en form, som de tidligere havde støbt af originalen, hele hjertet, og fyldte formen med silikone for at omslutte hybridhjertet i en ensartet belægning — et trin, der producerede en form svarende til et ægte hjerte og sikrede, at robotbobleindpakningen passer tæt rundt om den virkelige ventrikel.

“på den måde mister du ikke overførsel af bevægelse fra den syntetiske muskel til det biologiske væv,” siger Roche.

da forskerne pumpede luft ind i bobleindpakningen ved frekvenser, der lignede et naturligt bankende hjerte, og afbildede det bioniske hjertes respons, kontraherede det på en måde, der ligner den måde, et ægte hjerte bevæger sig for at pumpe blod gennem kroppen.

i sidste ende håber forskerne at bruge det bioniske hjerte som et realistisk miljø til at hjælpe designere med at teste hjerteapparater såsom protetiske hjerteklapper.

“Forestil dig, at en patient før implantation af hjerteanordninger kunne få deres hjerte scannet, og så kunne klinikere indstille enheden til at fungere optimalt i patienten godt før operationen,” siger Nyugen. “Med yderligere vævsteknik kunne vi potentielt se det biorobotiske hybridhjerte blive brugt som et kunstigt hjerte — en meget nødvendig potentiel løsning i betragtning af den globale hjertesvigtepidemi, hvor millioner af mennesker er prisgivet en konkurrencedygtig hjertetransplantationsliste.”

denne forskning blev delvist støttet af National Science Foundation.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *