ingenjörer designar bionic” heart ” för testning av protesventiler, andra hjärtenheter

som den geriatriska befolkningen förväntas ballong under det kommande decenniet, så kommer också andelen hjärtsjukdomar i USA. Efterfrågan på protetiska hjärtklaffar och andra hjärtenheter — en marknad som värderas till mer än 5 miljarder dollar idag — förväntas öka med nästan 13 procent under de kommande sex åren.

Protesventiler är utformade för att efterlikna en riktig, hälsosam hjärtventil för att hjälpa till att cirkulera blod genom kroppen. Men många av dem har problem som läckage runt ventilen, och ingenjörer som arbetar för att förbättra dessa mönster måste testa dem upprepade gånger, först i enkla bänksimulatorer, sedan i djurämnen, innan de når mänskliga försök — en svår och dyr process.nu har ingenjörer på MIT och på andra håll utvecklat ett bioniskt ”hjärta” som erbjuder en mer realistisk modell för att testa konstgjorda ventiler och andra hjärtenheter.

enheten är ett riktigt biologiskt hjärta vars hårda muskelvävnad har ersatts med en mjuk robotmatris av artificiella hjärtmuskler, som liknar bubbelplast. Orienteringen av de konstgjorda musklerna efterliknar mönstret av hjärtans naturliga muskelfibrer, på ett sådant sätt att när forskarna blåser upp bubblorna på distans, agerar de tillsammans för att pressa och vrida det inre hjärtat, på samma sätt som ett riktigt, helt hjärta slår och pumpar blod.

med denna nya design, som de kallar ett ”biorobotiskt hybridhjärta”, föreställer forskarna att enhetsdesigners och ingenjörer kan iterera och finjustera mönster snabbare genom att testa på biohybridhjärtat, vilket avsevärt minskar kostnaden för utveckling av hjärtanordningen.

”regulatorisk testning av hjärtanordningar kräver många trötthetstester och djurtester”, säger Ellen Roche, biträdande professor i maskinteknik vid MIT. ”kan realistiskt representera vad som händer i ett riktigt hjärta, för att minska mängden djurförsök eller iterera designen snabbare.”

Roche och hennes kollegor har publicerat sina resultat idag i tidskriften Science Robotics. Hennes medförfattare är huvudförfattare och mit-doktorand Clara Park, tillsammans med Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas och Xuanhe Zhao vid MIT, tillsammans med medarbetare från Nanyang Technology University, Royal College of Surgeons i Dublin, Bostons barnsjukhus, Harvard Medical School och Massachusetts General Hospital.

strukturen hos det biorobotiska hybridhjärtat under magnetisk resonansbildning. Kredit: Christopher T. Nguyen

”hjärtets mekanik”

innan han kom till MIT arbetade Roche kort inom biomedicinsk industri och hjälpte till att testa hjärtenheter på artificiella hjärtmodeller i laboratoriet.

”vid den tiden kände jag inte att någon av dessa bänkskivor var representativa för både anatomin och den fysiologiska biomekaniken i hjärtat”, påminner Roche. ”Det fanns ett ouppfyllt behov när det gäller enhetstestning.”

i separat forskning som en del av hennes doktorsarbete vid Harvard University utvecklade hon en mjuk, Robot, implanterbar ärm, utformad för att linda runt ett helt levande hjärta, för att hjälpa det att pumpa blod hos patienter som lider av hjärtsvikt.på MIT undrade hon och Park om de kunde kombinera de två forskningsvägarna för att utveckla ett hybridhjärta: ett hjärta som delvis är tillverkat av kemiskt bevarad, explanterad hjärtvävnad och delvis av mjuka konstgjorda ställdon som hjälper hjärtat att pumpa blod. En sådan modell, de föreslog, borde vara en mer realistisk och hållbar miljö för att testa hjärtanordningar, jämfört med modeller som antingen är helt artificiella men inte fångar hjärtans komplexa anatomi eller är gjorda av ett riktigt explanterat hjärta, vilket kräver mycket kontrollerade förhållanden för att hålla vävnaden vid liv.

teamet övervägde kort att förpacka ett helt, explanterat hjärta i en mjuk robothylsa, liknande Roches tidigare arbete, men insåg att hjärtans yttre muskelvävnad, myokardiet, snabbt stelnade när det avlägsnades från kroppen. Varje robotkontraktion av hylsan skulle misslyckas med att översätta tillräckligt till hjärtat inom.istället letade teamet efter sätt att designa en mjuk robotmatris för att ersätta hjärtans naturliga muskelvävnad, både i material och funktion. De bestämde sig för att prova sin ide först på hjärtans vänstra kammare, en av fyra kamrar i hjärtat, som pumpar blod till resten av kroppen, medan höger kammare använder mindre kraft för att pumpa blod till lungorna.

”den vänstra kammaren är den svårare att återskapa med tanke på dess högre arbetstryck, och vi gillar att börja med de hårda utmaningarna”, säger Roche.

hjärtat, unfurled

hjärtat pumpar normalt blod genom att klämma och vrida, en komplex kombination av rörelser som är ett resultat av inriktningen av muskelfibrer längs det yttre myokardiet som täcker var och en av hjärtans ventriklar. Teamet planerade att tillverka en matris av konstgjorda muskler som liknar uppblåsbara bubblor, inriktade i orienteringarna i den naturliga hjärtmuskeln. Men kopiering av dessa mönster genom att studera en ventrikels tredimensionella geometri visade sig vara extremt utmanande.

de kom så småningom över den spiralformade ventrikulära myokardiella bandteorin, tanken att hjärtmuskeln i huvudsak är ett stort spiralband som sveper runt var och en av hjärtats ventriklar. Denna teori är fortfarande föremål för debatt av vissa forskare, men Roche och hennes kollegor tog det som inspiration för sin design. Istället för att försöka kopiera vänster ventrikels muskelfiberorientering från ett 3D — perspektiv bestämde laget att ta bort ventrikelns yttre muskelvävnad och packa upp den för att bilda ett långt, platt band-en geometri som borde vara mycket lättare att återskapa. I detta fall använde de hjärtvävnaden från ett explanterat grishjärta.i samarbete med co-lead författaren Chris Nguyen på MGH, forskarna använde diffusion tensor imaging, en avancerad teknik som typiskt spårar hur vatten strömmar genom vit materia i hjärnan, för att kartlägga de mikroskopiska fiberorienteringarna i en vänster ventrikels Veckade, tvådimensionella muskelband. De tillverkade sedan en matris av konstgjorda muskelfibrer gjorda av tunna luftrör, var och en ansluten till en serie uppblåsbara fickor eller bubblor, vars orientering de mönstrade efter de avbildade muskelfibrerna.

rörelse av det biorobotiska hybridhjärtat efterliknar hjärtans pumprörelse under ekkokardiografi. Kredit: Mossab Saeed

den mjuka matrisen består av två lager silikon, med ett vattenlösligt skikt mellan dem för att förhindra att skikten klibbar, liksom två lager laserskuren papper, vilket säkerställer att bubblorna blåses upp i en specifik orientering.

forskarna utvecklade också en ny typ av bioadhesiv för att limma bubbelfolien till ventrikelns verkliga, intrakardiella vävnad. Medan lim finns för bindning av biologiska vävnader till varandra, och och för material som silikon till varandra, insåg laget att få mjuka lim gör ett adekvat jobb med att limma samman biologisk vävnad med syntetiska material, särskilt silikon.

So Roche samarbetade med Zhao, docent i maskinteknik vid MIT, som specialiserat sig på att utveckla hydrogelbaserade lim. Det nya limet, som heter TissueSil, gjordes genom att funktionalisera silikon i en kemisk tvärbindningsprocess för att binda med komponenter i hjärtvävnad. Resultatet var en viskös vätska som forskarna borstade på den mjuka robotmatrisen. De borstade också limet på ett nytt explanterat grishjärta som hade sin vänstra kammare borttagen men dess endokardiella strukturer bevarades. När de lindade den konstgjorda muskelmatrisen runt denna vävnad, bundet de två tätt.slutligen placerade forskarna hela hybridhjärtat i en form som de tidigare hade gjutit av originalet, hela hjärtat och fyllde formen med silikon för att omsluta hybridhjärtat i en enhetlig täckning — ett steg som gav en form som liknar ett riktigt hjärta och säkerställde att robotbubblaomslaget passar snyggt runt den verkliga ventrikeln.

”på det sättet förlorar du inte överföring av rörelse från den syntetiska muskeln till den biologiska vävnaden”, säger Roche.

när forskarna pumpade luft in i bubbelförpackningen vid frekvenser som liknar ett naturligt slående hjärta och avbildade det bioniska hjärtats svar, kontraherade det på ett sätt som liknar hur ett riktigt hjärta rör sig för att pumpa blod genom kroppen.

i slutändan hoppas forskarna att använda det bioniska hjärtat som en realistisk miljö för att hjälpa designers att testa hjärtenheter som protetiska hjärtklaffar.

”Föreställ dig att en patient före implantation av hjärtanordningen kan få sitt hjärta skannat, och sedan kan kliniker ställa in enheten för att fungera optimalt i patienten långt före operationen”, säger Nyugen. ”Med ytterligare vävnadsteknik kan vi potentiellt se det biorobotiska hybridhjärtat användas som ett konstgjort hjärta — en mycket nödvändig potentiell lösning med tanke på den globala hjärtsviktsepidemin där miljontals människor är nådiga av en konkurrenskraftig hjärttransplantationslista.”

denna forskning stöddes delvis av National Science Foundation.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *