美國科學(xué)家將一顆生物心臟和一個硅膠機器泵結(jié)合在一起，創(chuàng)造了一個像真心臟一樣跳動的仿生機器心臟。其心臟瓣膜模擬器可以模擬一顆健康或患病心臟的結(jié)構(gòu)、功能和運動，從而使外科醫(yī)生和研究人員在收集實時數(shù)據(jù)的同時演示各種干預(yù)措施。相關(guān)研究1月11日發(fā)表于《設(shè)備》。
目前的心臟模擬器并不能完全捕捉一顆心臟的復(fù)雜性，且保質(zhì)期只有2~4個小時。而動物研究既昂貴又耗時，且研究結(jié)果不一定適用于人類。新型仿生機器心臟成本更低、保質(zhì)期長達數(shù)月，可以彌補這些缺陷。
“對于那些研究不同心臟瓣膜狀況和干預(yù)措施的人來說，模擬器作為一種研究工具有很大的好處。”論文通訊作者、美國麻省理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程師Ellen Roche說，“它可以作為臨床醫(yī)生、醫(yī)學(xué)生和實習(xí)生的外科培訓(xùn)平臺，使設(shè)備工程師可以研究他們的新設(shè)計，甚至幫助患者更好了解自己的疾病和潛在的治療方法。”
研究人員把重點放在二尖瓣反流上，這是一種左心室之間的瓣膜不能正常關(guān)閉的疾病，可導(dǎo)致心臟瓣膜滲漏、血液倒流。這種疾病影響了全球約2420萬人，可導(dǎo)致呼吸短促、四肢腫脹和心力衰竭。鑒于瓣膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，治療這種疾病的手術(shù)非常復(fù)雜，因此需要有效的技術(shù)和精確的手術(shù)方法。
為更好了解健康和患病狀態(tài)下的二尖瓣，研究團隊以豬心臟為基礎(chǔ)構(gòu)建了一個仿生機器心臟。他們用一個由硅樹脂制成的空氣驅(qū)動軟機器泵系統(tǒng)取代了左心室的心肌。當(dāng)充氣時，該系統(tǒng)會像真正的心臟肌肉一樣扭曲和擠壓心臟，通過一個模擬循環(huán)系統(tǒng)泵送人造血液，從而模擬一顆生物心臟的跳動。
當(dāng)研究團隊破壞仿生機器心臟的二尖瓣時，它表現(xiàn)出一個滲漏心臟瓣膜的特征。然后，該團隊讓心臟外科醫(yī)生用3種不同的技術(shù)糾正損傷：用人工索固定聯(lián)動的瓣膜小葉組織、用人工瓣膜代替瓣膜，以及植入幫助瓣膜小葉關(guān)閉的裝置。
3種外科手術(shù)都很成功，使血壓、血流和心臟功能恢復(fù)了正常。該系統(tǒng)還使研究團隊能夠在手術(shù)過程中收集實時數(shù)據(jù)，并與目前在診室使用的成像技術(shù)兼容。由于在系統(tǒng)中使用的人造血液是透明的，因此這也是一個直接可視化的過程。
這項研究結(jié)果表明，該裝置是一種新的心臟模型，可為心臟手術(shù)訓(xùn)練和實踐提供更好的平臺。
接下來，研究團隊的目標(biāo)是通過縮短生產(chǎn)時間和延長保質(zhì)期來優(yōu)化目前的仿生機器心臟。他們還在探索3D打印技術(shù)，旨在為該系統(tǒng)重建一顆人造心臟，而不是使用豬心臟。
“我們的仿生機器心臟可能有助于改善設(shè)備的設(shè)計周期，允許快速迭代，從而使產(chǎn)品得到監(jiān)管機構(gòu)的批準(zhǔn)，并迅速推向市場。”Roche說，“加快和改進這些過程最終將使患者受益。”
相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1016/j.device.2023.100217
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