工程师设计了仿生心脏来测试人工瓣膜和其他心脏设备臧天朔

发布时间：2022-12-02 18:20:32

工程师设计了仿生“心脏”来测试人工瓣膜和其他心脏设备

预计在未来十年中，老年人口将激增，美国的心脏病发病率也将上升。人工心脏瓣膜和其他心脏设备的需求预计在未来六年中将增长近13％。

人工瓣膜旨在模仿真实健康的心脏瓣膜，以帮助血液在体内循环但是，它们中的许多问题都存在诸如阀周围泄漏的问题，并且致力于改进这些设计的工程师必须反复进行测试，首先要在简单的台式模拟器中进行测试，然后再在动物受试者中进行测试，然后再进行人体试验，这是一个艰巨而昂贵的过程。

现在，麻省理工学院和其他地方的工程师已经开发出了仿生“心脏”，它为测试人造瓣膜和其他心脏设备提供了更为逼真的模型。

该设备是一个真正的生物心脏，其坚硬的肌肉组织已被柔软的人造心脏机器人矩阵代替，类似于泡沫包裹物。人造肌肉的方向模仿了心脏的天然肌纤维的形态，以至于当研究人员远程膨胀气泡时，它们共同作用来挤压和扭曲内心，就像真正的整个心脏跳动一样并抽血。

通过这种被称为“生物机器人混合心脏”的新设计，研究人员设想设备设计师和工程师可以通过在生物混合心脏上进行测试来更快地迭代和微调设计，从而大大降低了心脏设备开发的成本。

麻省理工学院机械工程学助理教授艾伦·罗奇说：“对心脏设备进行监管测试需要进行许多疲劳测试和动物测试。“ [新设备]可以现实地表示真实心脏中发生的事情，从而减少动物测试的数量或更快地迭代设计。”

罗氏和她的同事已在“ 科学机器人学 ”杂志上发表了他们的结果。她的共同作者是MIT的主要作者和MIT研究生Clara Park，以及MIT的Fan Yiling，Gregor Hager，Yyunwoo Yuk，Manisha Singh，Allison Rojas和Zhao Xuanhe Zhao，以及南洋理工大学，皇家外科医学院的合作者在都柏林，波士顿儿童医院，哈佛医学院和马萨诸塞州综合医院中。

生物机器人混合心脏和体内健康猪心脏的超声心动图视频。图片来源：Park等，《科学机器人》。5，eaay9106

“心脏力学”

在加入麻省理工学院之前，罗氏曾在生物医学行业短暂工作过，帮助在实验室中的人工心脏模型上测试心脏设备。

罗氏回忆说：“当时我还没有感觉到这些台式机可以代表心脏的解剖结构和生理生物力学。” “在设备测试方面存在未满足的需求。”

在哈佛大学从事博士工作的另一项研究中，她开发了一种柔软的，可植入的机器人套，旨在包裹整个活着的心脏，以帮助其为患有心力衰竭的患者泵血。

在麻省理工学院，她和帕克想知道他们是否可以结合这两种研究途径来开发混合型心脏：一种心脏，这种心脏部分由化学保存，植入的心脏组织制成，部分由有助于心脏泵血的柔软人工促动器制成。

他们提出，与完全不是人造的但不能捕获心脏复杂解剖结构的模型，或者是由真正的离体心脏制成的模型相比，这种模型应该是一个更现实，更持久的环境，可以在其中测试心脏设备控制条件以保持组织存活。

研究小组短暂地考虑了用柔软的机械手套将整个植入的心脏包裹起来，这与罗氏以前的工作类似，但是意识到心脏的外部肌肉组织即心肌在从身体移开后会迅速变硬。套筒引起的任何机器人收缩都无法充分地将其转化为心脏。

取而代之的是，该团队寻找了设计软机器人矩阵的方法，以取代心脏的天然肌肉组织，无论是材料还是功能。他们决定首先在心脏的左心室中尝试他们的想法，左心室将血液泵送到身体的其余部分，而右心室使用较少的力将血液泵到肺部。

罗氏说：“鉴于其较高的操作压力，左心室更难重建，我们希望从困难的挑战入手。”

MRI下生物机器人混合心脏运动的视频。

心，展开心脏通常通过挤压和扭曲来泵送血液，这是运动的复杂组合，这是由于沿着覆盖每个心脏心室的外部心肌排列的肌肉纤维对齐的结果。研究小组计划制造出类似于可充气气泡的人造肌肉矩阵，并按照天然心肌的方向排列。但是，通过研究心室的三维几何形状来复制这些模式非常困难。

他们最终遇到了螺旋心室心肌带理论，即心肌本质上是一条缠绕在每个心室周围的大螺旋带。该理论仍然是一些研究人员争论的话题，但罗氏和她的同事们将其作为其设计的灵感。该团队决定不尝试从3-D角度复制左心室的肌肉纤维方向，而是决定移除心室的外部肌肉组织并展开以形成一条长而平坦的带子，这种几何形状应该更容易重建。在这种情况下，他们使用了植入猪心脏的心脏组织。

与MGH的首席研究员克里斯·阮合作，研究人员使用了扩散张量成像技术，该技术通常跟踪水如何流过大脑中的白质，以绘制左心室未弯曲的二维纤维的微观纤维方向。肌肉带。然后，他们制作了由细气管制成的人造肌纤维基质，每个细气管都连接到一系列可充气的口袋或气泡上，它们的方向在成像的肌肉纤维之后就会图案化。

软基质由两层有机硅组成，两层有机硅之间有一层水溶性层，以及两层激光切割纸，可确保气泡按特定方向膨胀。

研究人员还开发了一种新型的生物粘合剂，可将气泡包装胶粘到心室的真实心内组织。尽管存在粘合剂可以将生物组织彼此粘合，并且可以将有机硅等材料粘合在一起，但该团队意识到，很少有软粘合剂可以很好地将生物组织与合成材料粘合在一起。

因此，罗氏与麻省理工学院机械工程副教授赵合作，后者专门研究水凝胶基胶粘剂。这种新的名为TissueSil的粘合剂是通过在化学交联过程中对有机硅进行官能化，从而与心脏组织中的成分粘合而制成的。结果是一种粘性液体，研究人员将其刷到了柔软的机器人矩阵上。

他们还将胶水刷到了一个新的离体猪心脏上，该猪心脏的左心室被去除了，但其心内膜结构得以保留。当他们将人造肌肉基质包裹在该组织周围时，两者紧密结合。

该视频显示了TissueSil与其他粘合剂相比的粘合强度。

最后，研究人员将整个混合心脏放入以前铸造完整的原始心脏的模具中，并用硅树脂填充该模具，以将混合心脏包裹在均匀的覆盖物中，这一步骤产生的形状类似于真实的心脏。心脏并确保机器人气泡包裹贴合实际的心室。

“那样，您就不会失去合成肌肉的运动传递罗氏说：到生物组织。”

当研究人员将空气泵入气泡包装纸时以类似于自然跳动的心脏的频率，并对仿生心脏的反应进行成像时，它的收缩方式类似于真正的心脏通过身体泵送血液的方式。

最终，研究人员希望将仿生心脏用作现实环境，以帮助设计人员测试人造心脏瓣膜等心脏设备。

Nyugen说：“想象一下，在植入心脏设备之前可以对患者的心脏进行扫描，然后临床医生可以调整设备使其在患者手术前达到最佳状态。” “此外，通过进一步的组织工程，我们有可能看到将生物机器人混合心脏用作人造心脏，考虑到全球心力衰竭流行病的成千上万的人在竞争性心脏移植名单的摆布，这是非常需要的潜在解决方案。”