Вчені пояснюють, як вживання в їжу різноманітних продуктів знижує ризик хронічних захворювань
Стаття
Дослідники розробили повністю штучне гібридне серце, що працює на основі м'якої робототехніки, що може відкрити нові горизонти в області серцевої недостатності та трансплантатної медицини. Стаття, що містить перший доказ концепції цього нового відкриття, опублікована в журналі Nature Communications.
Термінальна стадія серцевої недостатності пов'язана з високим рівнем смертності. Цей стан піддається лікуванню за допомогою трансплантації серця; Однак відсутність донорських сердець є серйозним мінусом. Це обмеження призвело до розробки повністю штучних сердець і пристроїв для підтримки лівого шлуночка.
Ці штучні пристрої демонструють погану біосумісність, оскільки матеріали, які використовуються для їх створення, не виводяться з організму пацієнта. Більш того, ці пристрої працюють нефізично, дозволяючи крові циркулювати по всьому тілу. Ці фактори можуть призвести до утворення тромбів, що згодом може призвести до ускладнень, пов'язаних з кровотоком.
Черезшкірні актуатори, необхідні для живлення та підключення наявних на даний момент кардіологічних пристроїв до зовнішнього джерела, становлять високий ризик інфекції та суттєво впливають на якість життя пацієнта. Ці ускладнення значно обмежують клінічне використання наявних в даний час повних штучних сердець.
У поточному дослідженні вчені розробили гібридне, повністю штучне серце, в якому насосна сила надходить від м'якої робототехніки для фізіологічного переміщення крові. Вони назвали апарат "Гібридне серце".
Дослідники розробили це нове покоління повністю штучних сердець з ідеєю, що пристрій повинен імітувати структуру та функції людського серця. Серце людини складається з двох камер - лівого і правого шлуночків, які розділені перегородкою (розділювальною стінкою). Синхронне скорочення шлуночків і перегородки призводить до викиду крові з шлуночків в кровотік.
Як і людське серце, гібридне серце містить дві штучні камери, розділені м'яким пневматичним м'язом (перегородкою). Шлуночки і перегородка виготовлені з нейлону, покритого термопластичним поліуретаном. Примітно, що конструкція також включає кілька нерозтяжних проводів, розташованих у замкнутому контурі, які відіграють ключову роль у імітації координованих скорочень серця шляхом розподілу сил по обох шлуночках.
Термопластичний нейлоновий матеріал з поліуретановим покриттям покритий супрамолекулярними покриттями для підвищення біосумісності.
Позитивний або негативний тиск повітря використовується для накачування та здування перегородки. Коли перегородка роздувається під час систоли, її внутрішній діаметр збільшується, що дозволяє обмотати навколо неї більше дроту. Це стискає шлуночки, щоб вивести кров, як у природному серці. Коли перегородка здувається під час діастоли, шлуночки пасивно наповнюються.
Конкретна довжина та кількість дротів навколо кожного шлуночка можна регулювати для зміни серцевого викиду кожної камери, що дозволяє адаптуватися до потреб різних фізіологічних станів або захворювань. Ця можливість регулювання може бути важливою для забезпечення того, щоб пристрій відповідав індивідуальним потребам пацієнта, наприклад, у випадках легеневої гіпертензії.
У перших тестах м'яка роботизована система спрацьовування продемонструвала здатність генерувати криві тиску, схожі на ті, що спостерігаються при природному серцебитті, що дозволяє пристрою відтворювати більш реалістичний серцевий ритм.
М'який роботизований привід забезпечує необхідний профіль тиску для гібридної серцевої перегородки. Виконавчий механізм перетворює керуючі сигнали в фізичні дії в системі. Цей м'який роботизований привід не покладається на електроніку для створення серцевих скорочень; Замість цього він автономно і пасивно перетворює постійний потік безперервного повітряного насоса в імпульси тиску, які створюють серцебиття для гібридного серця.
Однак загальна система також включає електронні компоненти для живлення та керування, особливо в майбутніх повністю імплантованих версіях.
Лабораторні дослідження гібридного серця в фізіологічних умовах показали, що прилад імітує пампінгову фізіологію серця людини, а його лівий шлуночок може перекачувати 5,7 літра крові в хвилину (серцевий викид) при частоті серцевих скорочень 60 ударів в хвилину. Оскільки серцевий викид лівого шлуночка повинен бути вище, ніж правого шлуночка, то серцевий викид правого шлуночка апарату встановили на рівні 5 літрів в хвилину шляхом регулювання довжини проводів навколо правого шлуночка.
Гібридне серце було додатково протестовано на тваринах шляхом хірургічної імплантації пристрою в перикардіальний простір. Пристрій відповідав за весь кровотік тварини протягом 50-хвилинного періоду тестування.
Випробування на тваринах було короткостроковим експериментом, а не довгостроковим імплантатом, що забезпечило початкову перевірку концепції функціонування пристрою in vivo.
Однак у гострому тесті на тваринах серцевий викид був нижчим, ніж in vitro (близько 2,3 літра на хвилину при 65 ударах на хвилину), що відображає ранню стадію розробки пристрою, його експериментальний характер та очікувані технічні обмеження.
Результати показали, що термопластичний нейлон з поліуретановим покриттям, який використовується в гібридному серці, нетоксичний, демонструє покращену біосумісність і має потужні антитромбогенні властивості завдяки своїм супрамолекулярним покриттям.
Тести на тваринах та in vitro продемонстрували значне зниження адгезії тромбоцитів та тромбозу порівняно з матеріалами без покриття, що підтверджує його потенційну сумісність з кров'ю протягом тривалого часу.
У лабораторних експериментах і експериментах на тваринах для живлення гібридного серця використовувалася відкрита пневматична система. Однак повністю імплантована, закрита система приводу рідини була розроблена для майбутнього клінічного використання. Ця система складалася з імплантованого повітряного насоса безперервного потоку, повітряного контейнера та м'якої роботизованої системи спрацьовування, з'єднаної з перегородкою в замкнутому циркуляційному контурі.
Закрита рідинна система була інтегрована в систему транскутанної передачі енергії (TET) для бездротового забезпечення електроенергією насоса. Зовнішня котушка TET, розміщена на шкірі пацієнта, передавала енергію на підшкірно імплантовану внутрішню спіраль TET, залишаючи шкіру недоторканою.
Такий підхід потенційно може знизити ризик інфекції та покращити якість життя пацієнтів, дозволяючи їм тимчасово відключатися від джерела живлення та вільно займатися такими видами діяльності, як душ або плавання.
Випробування цієї рідинної системи із замкнутим циклом показали, що коли потужність подавалася на повітряний насос безперервного потоку, гібридне серце автоматично починало битися зі швидкістю 35 ударів на хвилину і виробляло відносно низький серцевий викид у порівнянні з тим, що виробляється традиційною системою приводу.
Таке обмеження було пов'язане з доступною потужністю системи TET у початкових експериментах, що не було принциповою перешкодою для технології. У дослідженні зазначається, що збільшення вхідної енергії має покращити серцевий викид, і наразі дослідники працюють над цим.
Крім того, гібридне серце проявило адаптивні фізіологічні властивості. Чутливість до переднавантаження та після навантаження означає, що гібридне серце може регулювати свій вихід у відповідь на зміни артеріального тиску та об'єму, як і природне серце. Це досягається пасивно, імітуючи механізм Франка-Старлінга, завдяки якому серце збільшує вироблення у відповідь на збільшення наповнення без необхідності використання складних датчиків або електроніки.
Конструкція також дозволяє індивідуально регулювати пристрій, наприклад, змінювати довжину та положення проводів, відповідно до індивідуальних потреб пацієнта.
Незважаючи на те, що доказ концепції є багатообіцяючим, робота все ще знаходиться в зародковому стані. Пристрій був створений на основі матеріалів для прототипування, а не медичних компонентів, і для повної перевірки безпеки, довговічності та продуктивності технології знадобляться подальші довгострокові дослідження на тваринах.
Перед будь-яким клінічним застосуванням всі ключові компоненти, включаючи повністю імплантовану версію та тканинно-інженерні покриття, потребуватимуть додаткового ретельного тестування, включаючи довгострокові дослідження на тваринах.
Дослідження є першим доказом того, що м'які роботизовані технології можуть успішно розробити біосумісне, повністю штучне серце, здатне забезпечувати адекватний серцевий викид у фізіологічних умовах.
Гібридне серце, розроблене в ході дослідження, може подолати недоліки наявних в даний час повністю штучних сердець, потенційно забезпечуючи як антитромбогенні поверхні, так і підтримку тканинної інтеграції.
У майбутньому технологія покриття може бути вдосконалена далі, наприклад, шляхом включення молекул, які активно спонукають клітини організму колонізувати пристрій і формувати функціональну внутрішню оболонку. Цей подвійний підхід до зниження згортання крові та підтримки інтеграції тканин організму може зменшити потребу в пожиттєвій антикоагулянтній терапії.
Хоча гібридне серце ще не готове до клінічного використання і вимагатиме подальших ретельних випробувань та оптимізації, воно демонструє, як м'яка робототехніка та біоміметична інженерія можуть забезпечити безпечніші, функціональніші та більш адаптивні штучні серця для пацієнтів із термінальною стадією серцевої недостатності.
