Ingeniører designer bionisk hjerte til test af proteseventiler, andre hjerteudstyr

Da den geriatriske befolkning forventes at gå i luften i det kommende årti, det samme vil antallet af hjertesygdomme i USA. Efterspørgslen efter hjerteklapproteser og andet hjerteudstyr - et marked, der i dag er værdsat til mere end 5 milliarder dollars - forventes at stige med næsten 13 procent i de næste seks år.

Prostetiske ventiler er designet til at efterligne en ægte, sund hjerteklap, der hjælper med at cirkulere blodet gennem kroppen. Imidlertid, mange af dem har problemer såsom lækage omkring ventilen, og ingeniører, der arbejder på at forbedre disse designs, skal teste dem gentagne gange, først i simple bordsimulatorer, derefter i dyrefag, før man når menneskelige prøvelser - en besværlig og dyr proces.

Nu har ingeniører ved MIT og andre steder udviklet et bionisk "hjerte", der tilbyder en mere realistisk model til at teste kunstige klapper og andre hjerteanordninger.

Enheden er et ægte biologisk hjerte, hvis hårde muskelvæv er blevet erstattet med en blød robotmatrix af kunstige hjertemuskler, der ligner bobleplast. Orienteringen af ​​de kunstige muskler efterligner mønsteret af hjertets naturlige muskelfibre, på en sådan måde, at når forskerne fjernt puster boblerne op, de virker sammen for at klemme og vride det indre hjerte, ligner den måde en rigtig, hele hjertet slår og pumper blod.

Med dette nye design, som de kalder et "biorobotisk hybridhjerte, "Forskerne forestiller sig, at enhedsdesignere og ingeniører kunne iterere og finjustere design hurtigere ved at teste på det biohybride hjerte, betydeligt reducere omkostningerne ved udvikling af hjerteudstyr.

"Regulativ test af hjerteudstyr kræver mange træthedstests og dyreforsøg, " siger Ellen Roche, assisterende professor i maskinteknik ved MIT. "[Den nye enhed] 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 tidsskriftet Videnskab robotik . Hendes medforfattere er hovedforfatter og MIT kandidatstuderende Clara Park, sammen med Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas, og Xuanhe Zhao ved MIT, sammen med samarbejdspartnere fra Nanyang Technology University, Royal College of Surgeons i Dublin, Bostons børnehospital, Harvard Medical School, og Massachusetts General Hospital (MGH).

"Hjertets mekanik"

Før du kommer til MIT, Roche arbejdede kort i den biomedicinske industri, hjælper med at teste hjerteapparater på kunstige hjertemodeller i laboratoriet.

"På det tidspunkt følte jeg ikke, at nogen af ​​disse bordopstillinger var repræsentative for både hjertets anatomi og den fysiologiske biomekanik, Roche husker. "Der var et udækket behov med hensyn til enhedstest."

I separat forskning som en del af hendes doktorgradsarbejde ved Harvard University, hun udviklede en blød, robot, implanterbar ærme, designet til at omslutte en helhed, lev hjerte, at hjælpe det med at pumpe blod hos patienter, der lider af hjertesvigt.

På MIT, hun og Park spekulerede på, om de kunne kombinere de to forskningsveje, at udvikle et hybridhjerte:et hjerte, der delvist er lavet af kemisk konserveret, eksplanteret hjertevæv og dels af bløde kunstige aktuatorer, der hjælper hjertet med at pumpe blod. Sådan en model, de foreslog, skal være et mere realistisk og holdbart miljø til at teste hjerteudstyr, sammenlignet med modeller, der enten er helt kunstige, men som ikke fanger hjertets komplekse anatomi, eller er lavet af et ægte eksplanteret hjerte, kræver meget kontrollerede forhold for at holde vævet i live.

Holdet overvejede kort at pakke en helhed, eksplanteret hjerte i et blødt robotærme, svarende til Roches tidligere arbejde, men indså hjertets ydre muskelvæv, myokardiet, hurtigt stivnet, når den fjernes fra kroppen. Enhver robotsammentrækning af ærmet ville ikke kunne overføres tilstrækkeligt til hjertet indeni.

I stedet, holdet ledte efter måder at designe en blød robotmatrix til at erstatte hjertets naturlige muskelvæv, i både materiale og funktion. De besluttede at prøve deres idé 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 på grund af dets højere driftstryk, og vi starter gerne med de svære 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 hver af hjertets ventrikler. Holdet planlagde at fremstille en matrix af kunstige muskler, der ligner oppustelige bobler, justeret i retningerne af den naturlige hjertemuskel. Men at kopiere disse mønstre ved at studere en ventrikels tredimensionelle geometri viste sig at være ekstremt udfordrende.

Til sidst stødte de på teorien om spiral ventrikulær myokardiebånd, ideen om, at hjertemuskulaturen i det væsentlige er et stort spiralformet bånd, der omslutter hver 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 prøve at kopiere venstre ventrikels muskelfiberorientering fra et 3D-perspektiv, holdet besluttede at fjerne ventriklens ydre muskelvæv og pakke det ud for at danne en lang, fladt bånd - en geometri, der burde være langt nemmere at genskabe. I dette tilfælde, de brugte hjertevævet fra et eksplanteret grisehjerte.

I samarbejde med co-lead forfatter Chris Nguyen på MGH, forskerne brugte diffusionstensor-billeddannelse, en avanceret teknik, der typisk sporer, hvordan vand strømmer gennem hvidt stof i hjernen, at kortlægge de mikroskopiske fiberorienteringer af en udfoldet venstre ventrikel, todimensionelt muskelbånd. De fremstillede derefter en matrix af kunstige muskelfibre lavet af tynde luftrør, hver forbundet til en række oppustelige lommer, eller bobler, den orientering, som de mønstrede efter de afbildede muskelfibre.

Den bløde matrix 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 pustes op i en bestemt orientering.

Forskerne udviklede også en ny type bioadhæsiv til at lime bobleplasten til ventriklens ægte, intrakardialt væv. Mens der findes klæbemidler til at binde biologiske væv til hinanden, og og for materialer som silikone til hinanden, holdet indså, at få bløde klæbemidler gør et tilstrækkeligt stykke arbejde med at lime biologisk væv sammen med syntetiske materialer, især silikone.

Så Roche samarbejdede med Zhao, lektor i maskinteknik ved MIT, der har specialiseret sig i at udvikle hydrogel-baserede klæbemidler. Det nye klæbemiddel, ved navn TissueSil, blev fremstillet ved at funktionalisere silikone i en kemisk tværbindingsproces, at binde sig til komponenter i hjertevæv. Resultatet var en tyktflydende væske, som forskerne børstede på den bløde robotmatrix. De børstede også limen på et nyt eksplanteret grisehjerte, der fik fjernet sin venstre ventrikel, men dets endokardiestrukturer bevaret. Da de viklede den kunstige muskelmatrix rundt om dette væv, de to hæftede sig tæt.

Endelig, forskerne placerede 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, der ligner et rigtigt hjerte, og sikrede, at robotbobleplasten passede tæt omkring den rigtige ventrikel.

"Den vej, du mister ikke transmissionen af ​​bevægelse fra den syntetiske muskel til det biologiske væv, " siger Roche.

Da forskerne pumpede luft ind i bobleplasten ved frekvenser, der lignede et naturligt bankende hjerte, og afbildede det bioniske hjertes reaktion, det trak sig sammen på en måde, der ligner den måde et rigtigt hjerte bevæger sig for at pumpe blod gennem kroppen.

Ultimativt, forskerne håber at kunne bruge det bioniske hjerte som et realistisk miljø for at hjælpe designere med at teste hjerteudstyr såsom hjerteklapperproteser.

"Forestil dig, at en patient før implantation af hjerteanordning kunne få deres hjerte scannet, og så kunne klinikere indstille enheden til at fungere optimalt hos patienten i god tid før operationen, " siger Nyugen. "Også, med yderligere vævsteknologi, vi kunne 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 liste over hjertetransplantationer."