Ученые объясняют, как употребление в пищу разнообразных продуктов снижает риск хронических заболеваний
Статья
Исследователи разработали полностью искусственное гибридное сердце, работающее на основе мягкой робототехники, которое может открыть новые горизонты в области сердечной недостаточности и трансплантационной медицины. Статья, предоставляющая первое доказательство концепции этого нового открытия, опубликована в журнале Nature Communications.
Терминальная стадия сердечной недостаточности связана с высоким уровнем смертности. Это состояние поддается лечению путем трансплантации сердца; однако, отсутствие донорских сердец является основным недостатком. Это ограничение привело к разработке полностью искусственных сердец и устройств поддержки левого желудочка.
Эти искусственные устройства демонстрируют плохую биосовместимость, поскольку материалы, используемые для их создания, не получены из тела пациента. Более того, эти устройства работают нефизически, обеспечивая циркуляцию крови по всему телу. Эти факторы могут вызывать образование тромбов, что впоследствии может привести к осложнениям, связанным с кровотоком.
Чрескожные приводы, необходимые для питания и подключения имеющихся в настоящее время сердечных устройств к внешнему источнику, представляют высокий риск заражения и существенно влияют на качество жизни пациента. Эти осложнения в значительной степени ограничивают клиническое использование имеющихся в настоящее время полных искусственных сердец.
В текущем исследовании ученые разработали гибридное полностью искусственное сердце, в котором насосная мощность поступает от мягкой робототехники для физиологического продвижения крови. Они назвали устройство «Гибридное сердце».
Исследователи разработали это новое поколение полностью искусственных сердец с идеей, что устройство должно имитировать структуру и функцию человеческого сердца. Человеческое сердце состоит из двух камер, левого и правого желудочков, которые разделены перегородкой (разделительной стенкой). Синхронное сокращение желудочков и перегородки приводит к выбросу крови из желудочков в кровоток.
Как и человеческое сердце, гибридное сердце содержит две искусственные камеры, разделенные мягкой пневматической мышцей (перегородкой). Желудочки и перегородка состоят из нейлона, покрытого термопластичным полиуретаном. Примечательно, что конструкция также включает в себя несколько нерастяжимых проводов, расположенных в замкнутом контуре, которые играют ключевую роль в имитации координированных сокращений сердца путем распределения сил по обоим желудочкам.
На термопластичный нейлоновый материал с полиуретановым покрытием наносятся супрамолекулярные покрытия для повышения биосовместимости.
Положительное или отрицательное давление воздуха используется для надувания и сдувания перегородки. Когда перегородка надувается во время систолы, ее внутренний диаметр увеличивается, что позволяет обернуть вокруг нее больше проволоки. Это сжимает желудочки, чтобы выбросить кровь, как в естественном сердце. Когда перегородка сдувается во время диастолы, желудочки пассивно наполняются.
Конкретную длину и количество проводов вокруг каждого желудочка можно регулировать для изменения сердечного выброса каждой камеры, что позволяет адаптироваться к требованиям различных физиологических состояний или заболеваний. Эта возможность регулировки может быть важна для соответствия устройства индивидуальным потребностям пациента, например, в случаях легочной гипертензии.
В ходе первых испытаний мягкая роботизированная система приведения в действие продемонстрировала способность генерировать кривые давления, аналогичные тем, которые наблюдаются при естественном сердцебиении, что позволило устройству воспроизводить более реалистичный ритм работы сердца.
Мягкий роботизированный исполнительный механизм обеспечивает требуемый профиль давления для перегородки гибридного сердца. Исполнительный механизм преобразует сигналы управления в физические действия внутри системы. Этот мягкий роботизированный исполнительный механизм не зависит от электроники для генерации сердцебиения; вместо этого он автономно и пассивно преобразует постоянный поток непрерывного воздушного насоса в импульсы давления, которые создают сердцебиение для гибридного сердца.
Однако общая система также включает электронные компоненты для питания и управления, особенно в будущих полностью имплантируемых версиях.
Лабораторные испытания гибридного сердца в физиологических условиях показали, что устройство имитирует насосную физиологию человеческого сердца, а его левый желудочек может перекачивать 5,7 литров крови в минуту (сердечный выброс) при частоте сердечных сокращений 60 ударов в минуту. Поскольку сердечный выброс левого желудочка должен быть выше, чем правого желудочка, сердечный выброс правого желудочка устройства был установлен на уровне 5 литров в минуту путем регулировки длины проводов вокруг правого желудочка.
Гибридное сердце было дополнительно испытано на животных путем хирургической имплантации устройства в перикардиальное пространство. Устройство отвечало за весь кровоток животного в течение 50-минутного периода тестирования.
Испытание на животных было краткосрочным экспериментом, а не долгосрочным имплантатом, что дало первоначальное подтверждение концепции функционирования устройства in vivo .
Однако в остром тесте на животных сердечный выброс был ниже, чем in vitro (около 2,3 литра в минуту при 65 ударах в минуту), что отражает раннюю стадию разработки устройства, его экспериментальный характер и ожидаемые технические ограничения.
Результаты показали, что термопластичный нейлон с полиуретановым покрытием, используемый в гибридном сердце, нетоксичен, демонстрирует улучшенную биосовместимость и обладает мощными антитромбогенными свойствами благодаря своим надмолекулярным покрытиям.
Испытания на животных и in vitro продемонстрировали значительное снижение адгезии тромбоцитов и тромбоза по сравнению с материалами без покрытия, что подтверждает его потенциальную совместимость с кровью в течение длительного времени.
В лабораторных и животных экспериментах для приведения в действие гибридного сердца использовалась открытая пневматическая система. Однако для будущего клинического использования была разработана полностью имплантируемая, закрытая жидкостная приводная система. Эта система состояла из имплантированного воздушного насоса непрерывного потока, воздушного контейнера и мягкой роботизированной системы приведения в действие, соединенной с перегородкой в замкнутом контуре циркуляции.
Закрытая жидкостная система была интегрирована в систему транскутанной передачи энергии (TET) для беспроводной подачи электроэнергии на насос. Внешняя катушка TET, размещенная на коже пациента, передавала энергию на подкожно имплантированную внутреннюю катушку TET, оставляя кожу нетронутой.
Такой подход может потенциально снизить риск заражения и улучшить качество жизни пациентов, позволяя им временно отключаться от источника питания и свободно заниматься такими видами деятельности, как принятие душа или плавание.
Испытания этой замкнутой жидкостной системы показали, что при подаче питания на воздушный насос непрерывного потока гибридное сердце автоматически начинало биться с частотой 35 ударов в минуту и производило относительно низкий сердечный выброс по сравнению с тем, который производила традиционная система привода.
Это ограничение было связано с доступной мощностью системы TET в начальных экспериментах, что не было фундаментальным препятствием для технологии. Исследование отметило, что увеличение входной энергии должно улучшить сердечный выброс, и исследователи в настоящее время работают над этим.
Кроме того, гибридное сердце показало адаптивные физиологические свойства. Чувствительность к преднагрузке и постнагрузке означает, что гибридное сердце может регулировать свой выход в ответ на изменение артериального давления и объемов, как естественное сердце. Это достигается пассивно, имитируя механизм Фрэнка-Старлинга, посредством которого сердце увеличивает выработку в ответ на повышенное наполнение без необходимости использования сложных датчиков или электроники.
Конструкция также позволяет индивидуально настраивать устройство, например, изменять длину и положение проводов, в соответствии с индивидуальными потребностями пациента.
Хотя доказательство концепции многообещающе, работа все еще находится в зачаточном состоянии. Устройство было создано на основе материалов для прототипирования, а не компонентов медицинского класса, и для полной проверки безопасности, долговечности и производительности технологии потребуются дальнейшие долгосрочные исследования на животных.
Перед любым клиническим применением все ключевые компоненты, включая полностью имплантируемую версию и покрытия для тканевой инженерии, потребуют проведения дополнительных обширных испытаний, в том числе долгосрочных исследований на животных.
Исследование представляет собой первое доказательство того, что мягкие роботизированные технологии позволяют успешно разработать биосовместимое полностью искусственное сердце, способное обеспечивать адекватный сердечный выброс в физиологических условиях.
Разработанное в ходе исследования гибридное сердце может преодолеть недостатки имеющихся в настоящее время полностью искусственных сердец, потенциально обеспечивая как антитромбогенные поверхности, так и поддержку интеграции тканей.
В будущем технология покрытия может быть развита дальше, например, путем включения молекул, которые активно побуждают клетки организма колонизировать устройство и формировать функциональную внутреннюю оболочку. Этот двойной подход к снижению свертываемости крови и поддержке интеграции тканей организма может снизить необходимость в пожизненной антикоагуляционной терапии.
Хотя гибридное сердце еще не готово к клиническому использованию и потребует дальнейшего тщательного тестирования и оптимизации, оно демонстрирует, как мягкая робототехника и биомиметическая инженерия могут обеспечить более безопасные, более функциональные и более адаптируемые искусственные сердца для пациентов с терминальной стадией сердечной недостаточности.
