Бионическое сердце

Ожидается, что в грядущем десятилетии численность гериатрической популяции будет расти, как в Соединенных Штатах, так и во всем мире. По прогнозам, спрос на протезы сердечных клапанов и других сердечных устройств - рынок, который оценивается сегодня более чем в 5 миллиардов долларов, - вырастет почти на 13 процентов в течение следующих шести лет.

Протезы клапанов предназначены для имитации настоящего, здорового сердечного клапана, помогающего циркулировать кровь по организму. Однако у многих устройств есть недочет в виде малой долговечности, и инженеры, работающие над улучшением этих конструкций, должны неоднократно проверять их, сначала на простых настольных тренажерах, затем на животных, прежде чем приступить к испытаниям на людях – самый трудный и дорогостоящий процесс.

Теперь инженеры из MIT и других стран разработали бионическое «сердце», которое предлагает более реалистичную модель для испытания искусственных клапанов и других сердечных устройств.

О разработке бионического сердца

Устройство представляет собой настоящее биологическое сердце, жесткая мышечная ткань которого заменена мягкой роботизированной матрицей из искусственных мышц сердца, напоминающей пузырчатую пленку. Ориентация искусственных мышц имитирует структуру естественных мышечных волокон сердца таким образом, что, когда исследователи удаленно раздувают пузырьки, они взаимодействуют, деформируя внутреннее сердце, подобно тому, как бьется настоящее сердце, качая при этом кровь.

С этим новым устройством, который они называют «биороботическим гибридным сердцем», исследователи предполагают, что дизайнеры и инженеры устройств смогут быстрее выполнять итерацию и точную настройку конструкций, проводя испытания на биогибридном сердце, что значительно сокращает затраты на разработку кардиологических устройств. «Нормативные испытания сердечных устройств требуют множество тестов на износ и испытаний на животных», - говорит Эллен Роше, доцент кафедры машиностроения в MIT.

«Новое устройство может реально представлять то, что происходит на самом деле, чтобы уменьшить количество испытаний на живых существах или ускорить разработку». Рош и ее коллеги опубликовали результаты своих исследований в журнале Science Robotics.

Ее соавторы - ведущий автор и аспирантка Массачусетского технологического института Клара Парк, а также Йилинг Фан, Грегор Хагер, Хёнву Юк, Маниша Сингх, Эллисон Рохас и Сюаньхэ Чжао в Массачусетском технологическом институте, а также сотрудники Технологического университета Наньянга, Королевского колледжа хирургов в Дублине, Бостонской детской больнице, Гарвардской медицинской школе и Массачусетской больнице общего профиля (MGH).

Устройство бионического сердца

До прихода в Массачусетский технологический институт Рош некоторое время работала в биомедицинской индустрии, помогая тестировать сердечные устройства на моделях искусственного сердца в лаборатории. «В то время я не чувствовал, что какие-либо из этих настольных установок представляли собой как анатомию, так и физиологическую биомеханику сердца», - вспоминает Рош.

«Была неудовлетворенная потребность в тестировании устройства». В рамках отдельного исследования своей докторской работы в Гарвардском университете она разработала мягкий роботизированный имплантируемый рукав, предназначенный для наматывания на целое живое сердце, чтобы помочь ему перекачивать кровь у пациентов, страдающих сердечной недостаточностью.

В Массачусетском технологическом институте Рош и Парк задались вопросом, могли ли бы они объединить два направления исследований для создания гибридного сердца: устройства, которое сделано частично из химически сохраненной, искусственной ткани сердца и частично из мягких искусственных приводов, которые помогают ему качать кровь.

Они предложили, что такая модель должна быть более реалистичной и долговечной средой для тестирования сердечных устройств, по сравнению с моделями, которые либо полностью искусственные, но не фиксируют сложную анатомию сердца, либо являются позаимствованным сердцем, что требует контролируемые условия, чтобы сохранить ткани живыми.

Команда кратко рассмотрела вопрос обертывания целого сердца в мягкий роботизированный рукав, аналогично предыдущей работе Рош, но поняла, что внешняя мышечная ткань сердца, миокард, может быть повреждена при удалении из тела. Любое механическое сокращение рукава не сможет в достаточной степени повлиять на сердце. Вместо этого команда искала способы разработать мягкую роботизированную матрицу для замены естественной мышечной ткани сердца, как по материалу, так и по функции.

Они решили сначала опробовать свою идею на левом желудочке сердца, одной из четырех камер, которая качает кровь к остальной части тела, в то время как правый желудочек использует меньше силы для закачки крови в легкие. «Левый желудочек труднее воссоздать, учитывая его более высокое рабочее давление, и нам нравится начинать с сложных задач», - говорит Рош.

Функционирование бионического сердца

Сердце обычно качает кровь, сжимаясь и выполняя сложную комбинацию движений, которая является результатом выравнивания мышечных волокон вдоль внешнего миокарда, который покрывает каждый из желудочков сердца. Команда планировала изготовить матрицу из искусственных мышц, напоминающих надувные пузырьки, выровненные по ориентациям естественной сердечной мышцы.

Но копирование этих паттернов путем изучения трехмерной геометрии желудочка оказалось чрезвычайно сложным процессом. В конце концов они натолкнулись на теорию спиральной группы желудочкового миокарда, идею о том, что сердечная мышца - это, по существу, большая спиральная лента, которая охватывает каждый из желудочков сердца. Эта теория до сих пор является предметом обсуждения некоторых исследователей, но Рош и ее коллеги взяли идею за вдохновение для своего дизайна.

Вместо того, чтобы пытаться скопировать ориентацию мышечного волокна левого желудочка с трехмерной перспективы, команда решила удалить внешнюю мышечную ткань желудочка и развернуть ее, чтобы сформировать длинную плоскую полосу - геометрию, которую должно быть гораздо проще воссоздать. В этом случае они использовали сердечную ткань от эксплантированного сердца свиньи.

В сотрудничестве с со-ведущим автором Крисом Нгуеном из MGH исследователи использовали диффузионную тензорную визуализацию, продвинутую технику, которая обычно отслеживает, как вода течет через белое вещество в мозге, для картирования ориентации микроскопических волокон в развернутом двумерном пространстве левого желудочка. мышечная полоса.

Затем они изготовили матрицу из искусственных мышечных волокон, состоящих из тонких воздушных трубок, каждая из которых была соединена с серией надувных карманов или пузырьков, ориентация которых была создана по образцу мышечных волокон.

Устройство матрицы сердца

Мягкая матрица состоит из двух слоев силикона с водорастворимым слоем между ними для предотвращения прилипания слое, а также двух слоев бумаги, вырезанной лазером, которая обеспечивает раздувание пузырьков в определенной ориентации. Исследователи также разработали новый тип биоадгезива, чтобы приклеить пузырчатую пленку к реальной внутрисердечной ткани желудочка.

Несмотря на то, что существуют адгезивы для склеивания биологических тканей друг с другом и для материалов, таких как силикон, друг с другом, команда поняла, что немногие мягкие адгезивы выполняют адекватную работу по склеиванию биологических тканей с синтетическими материалами, в частности с силиконом. Поэтому Роше сотрудничала с Чжао, доцентом машиностроения в Массачусетском технологическом институте, который специализируется на разработке клеев на основе гидрогеля.

Новый адгезив, названный TissueSil, был изготовлен путем функционализации силикона в процессе химической сшивки для связывания с компонентами в ткани сердца. В результате получилась вязкая жидкость, которую исследователи нанесли на мягкую роботизированную матрицу. Они также нанесли клей на новое объясненное сердце свиньи, у которого был удален левый желудочек, но сохранились эндокардиальные структуры. Когда они обернули искусственную мышечную матрицу вокруг этой ткани, они крепко сцепились.

Итоги исследований

Наконец, исследователи поместили все гибридное сердце в форму, которую они ранее отливали из исходного, целого сердца, и заполнили форму силиконом, чтобы заключить гибридное сердце в однородное покрытие - шаг, при котором создается форма, похожая на реальное сердце и убедиться, что роботизированная пузырчатая пленка плотно облегает настоящий желудочек. «Таким образом, вы не потеряете передачу движения от синтетической мышцы к биологической ткани», - говорит Рош.

Когда исследователи закачивали воздух в пузырчатую оболочку на частотах, имитирующих бьющееся сердце, оно сокращалось словно настоящее. В конечном счете, исследователи надеются использовать бионическое сердце в качестве реалистичной среды, чтобы помочь ученым протестировать сердечные устройства, такие как протезы клапанов сердца.

«Представьте, что у пациента до имплантации сердечного устройства может быть отсканировано сердце, и тогда врачи смогут настроить устройство так, чтобы оно оптимально функционировало у пациента задолго до операции», - говорит Ньюген.

«Кроме того, с дальнейшей тканевой инженерией мы можем потенциально увидеть биороботическое гибридное сердце в качестве искусственного - очень необходимое потенциальное решение, учитывая глобальную эпидемию сердечной недостаточности, когда миллионы людей находятся в зависимости от списка конкурентоспособных трансплантатов».