פריצת דרך רובוטיקה רכה יכולה להגדיר מחדש את טכנולוגיית הלב המלאכותית

לב רובוטי רך פורץ דרך יכול להפוך את הטיפול לאי ספיקת לב בשלב הסופי, ולקרב אותנו מתמיד לאיברים מלאכותיים פונקציונליים ותואמים לחלוטין.

לימוד: לב היברידי מלאכותי רובוטי רך. קרדיט תמונה: אפריקה סטודיו/Shutterstock.com

החוקרים פיתחו לב היברידי מלאכותי מוחלט המופעל על ידי רובוטיקה רכה, שעשוי לפתוח אופקים חדשים באי ספיקת לב ורפואת השתלה. המאמר המספק את ההוכחה הראשונה לתפיסה של תגלית רומן זו מתפרסם בכתב העת תקשורת טבע.

רֶקַע

אי ספיקת לב בשלב סוף קשור לשיעור תמותה גבוה. ניתן לטפל בתנאי באמצעות השתלת לב; עם זאת, אי זמינותם של לבבות התורמים היא החיסרון העיקרי. מגבלה זו הובילה לפיתוח לבבות מלאכותיים מוחלטים ומכשירי סיוע בחדר שמאל.

מכשירים מלאכותיים אלה מראים תאימות ביולוגית לקויה שכן החומרים המשמשים לעיצובם אינם נגזרים מגופו של המטופל. יתר על כן, מכשירים אלה פועלים באופן לא פיזי כדי להפיץ דם בכל הגוף. גורמים אלה יכולים לגרום להיווצרות קריש דם, שיכולים להוביל לאחר מכן לסיבוכים הקשורים לזרימת הדם.

קווי טפטוף פרוקאניים, הנדרשים להפעלה ולחיבור התקני לב זמינים כיום למקור חיצוני, מציגים סיכון לזיהום גבוה ומשפיעים באופן משמעותי על איכות חייו של המטופל. סיבוכים אלה מגבילים במידה רבה את השימוש הקליני בלבבות מלאכותיים הכוללים הזמינים כיום.

במחקר הנוכחי, החוקרים פיתחו לב מלאכותי מוחלט היברידי, בו כוח השאיבה מגיע מרובוטיקה רכה להניע את הדם פיזיולוגית. הם כינו את המכשיר "לב היברידי".

לב היברידי – עקרון עיצוב ועבודה

החוקרים עיצבו את הדור החדש הזה של לבבות מלאכותיים מוחלטים עם הרעיון שהמכשיר צריך לחקות את המבנה ואת התפקוד של הלב האנושי. בלב האנושי שני תאים, חדרי השמאל והימין, המופרדים על ידי מחצה (קיר מפריד). ההתכווצות הסינכרונית של החדרים והמחצה גורמת לדם שנפלט מהחדר למחזור.

בדומה ללב האנושי, הלב ההיברידי מכיל שני תאים מלאכותיים המופרדים על ידי שריר פנאומטי רך (ספטום). החדרים והמחצה מורכבים מניילון המצופה בפוליאוריטן תרמופלסטי. ראוי לציין כי העיצוב כולל גם מספר חוטים בלתי ניתנים להרחבה המסודרים בלולאה סגורה, הממלאים תפקיד מפתח בחיקוי התכווצויות הלב המתואמות על ידי חלוקת כוחות בשני החדרים.

ציפויים סופרמולקולריים מיושמים על חומר הניילון המצופה פוליאוריטן תרמופלסטי כדי לשפר את התאימות הביולוגית.

לחץ אוויר חיובי או שלילי משמש לניפוח וניפוי המחצה. כאשר המחצה מתנפח במהלך סיסטול, הקוטר הפנימי שלו גדל, ומאפשר לעטוף יותר תיל סביבו. זה סוחט את החדרים כדי להפיץ דם, כמו לב טבעי. כאשר המחצה מתנפנף במהלך דיאסטול, החדרים ממלאים באופן פסיבי.

ניתן להתאים את האורך הספציפי ומספר החוטים סביב כל חדר כדי לשנות את תפוקת הלב של כל תא, מה שמאפשר התאמה לדרישות של מצבים או מחלות פיזיולוגיות שונות. כוונון זה יכול להיות חשוב להתאמת המכשיר לצרכי המטופל האישיים, כמו למשל במקרים של יתר לחץ דם ריאתי.

מנגנון הפעלה רובוטי רך מספק את פרופיל הלחץ הנדרש למחצה של הלב ההיברידי. מנגנון ההפעלה מתרגם אותות בקרה לפעולות פיזיות בתוך מערכת. מנגנון ההפעלה הרובוטי הרך הזה אינו תלוי באלקטרוניקה כדי לייצר פעימות לב; במקום זאת, הוא הופך באופן אוטונומי ופסיבי את הזרימה הקבועה של משאבת אוויר רציפה לפולסי לחץ היוצרים את פעימות הלב ללב ההיברידי.

עם זאת, המערכת הכוללת כוללת גם רכיבים אלקטרוניים לחשמל ובקרה, במיוחד בגרסאות הניתנות להשתלה בעתיד.

אימות פונקציונלי

בדיקת המעבדה של הלב ההיברידי בתנאים פיזיולוגיים העלתה כי המכשיר מחקה את הפיזיולוגיה השואבת של הלב האנושי, וחדר השמאלי שלו יכול להזרים 5.7 ליטר דם לדקה (תפוקת לב) בקצב לב של 60 פעימות לדקה. מכיוון שתפוקת הלב של חדר שמאל צריכה להיות גבוהה יותר מהחדר הימני, פלט הלב של החדר הימני של המכשיר נקבע על 5 ליטר לדקה על ידי התאמת אורך החוטים סביב החדר הימני.

הלב ההיברידי נבדק עוד יותר בבעלי חיים על ידי השתלת מכשיר בניתוח במרחב הקרום הלב. המכשיר היה אחראי לכל זרימת הדם של בעלי החיים במהלך תקופת בדיקה של 50 דקות.

בדיקת בעלי החיים הייתה ניסוי לטווח קצר, לא שתל לטווח ארוך, ומספק הוכחת מושג ראשונית לתפקוד המכשיר in vivoו

עם זאת, בבדיקת בעלי החיים החריפה, תפוקת הלב הייתה נמוכה מ בַּמַבחֵנָה (כ -2.3 ליטר לדקה בגובה 65 סל"ד), המשקף את אופי ההוכחה המוקדם של המכשיר, ומגבלות טכניות צפויות.

הממצאים חשפו כי חומר הניילון המצופה הפוליאוריטן התרמופלסטי המשמש בלב ההיברידי אינו רעיל, מציג שיפור ביולוגי תאימות ביולוגית, ובעל תכונות אנטי-טרומבוגניות חזקות בגלל ציפויים סופרמולקולריים.

חיה ו בַּמַבחֵנָה בדיקות הדגימו ירידה משמעותית בהידבקות הטסיות ובפקקת בהשוואה לחומרים לא מצופים, ותומכים בפוטנציאל שלה לתאימות דם לטווח הארוך.

בניסויים במעבדה ובעלי חיים, נעשה שימוש במערכת פנאומטית פתוחה להפעלת הלב ההיברידית. עם זאת, פותחה מערכת נהיגה נוזלית סגורה ומשתוללת לחלוטין לשימוש קליני עתידי. מערכת זו כללה משאבת אוויר זרימה רציפה המושתלת, מיכל אוויר ומערכת הפעלה רובוטית רכה המחוברת לספטום בלולאת זרימה סגורה.

מערכת הנוזלים הסגורה שולבה במערכת העברת אנרגיה טרנס -קוטנית (TET) כדי לספק אנרגיה חשמלית למשאבה באופן אלחוטי. סליל ה- Tet החיצוני, המונח על עורו של המטופל, העביר את הכוח לסליל ה- TET הפנימי המושתל תת עורית, תוך השארת העור על כנה.

גישה זו יכולה להפחית את הסיכון לזיהום ולשפר את איכות חייהם של המטופלים בכך שהיא מאפשרת להם להתנתק באופן זמני ממקור כוח ולעסוק בפעילויות כמו מקלחת או שחייה בחופשיות.

הבדיקה של מערכת נוזלית סגורה זו העלתה כי לאחר הפעלת משאבת האוויר הזרימה הרציפה, הלב ההיברידי החל אוטומטית להכות בקצב לב של 35 סל"ד והניב תפוקת לב נמוכה יחסית בהשוואה לזו המיוצרת על ידי מערכת הנהיגה המסורתית.

מגבלה זו יוחסה לכוח הזמין ממערכת TET בניסויים הראשונים, שלא היוותה חסם מהותי לטכנולוגיה. המחקר ציין כי הגדלת אנרגיית הקלט צריכה לשפר את תפוקת הלב, והחוקרים עובדים כעת על כך.

בנוסף, הלב ההיברידי הראה תכונות פיזיולוגיות אדפטיביות. רגישות לטעינה מוקדמת ועומס לאחר מכן פירושה שהלב ההיברידי יכול להתאים את תפוקתו בתגובה לשינוי לחץ דם ונפחים, כמו לב טבעי. זה מושג באופן פסיבי, מחקה את מנגנון הכוכבים של פרנק-סטארלינג, לפיו הלב מגדיל את הייצור בתגובה למילוי מוגבר מבלי להזדקק לחיישנים מורכבים או לאלקטרוניקה.

העיצוב מאפשר גם את התצורה האישית של המכשיר, כגון שינוי אורך ומיקום החוט, המותאמת כדי לענות על צרכי המטופל האישיים.

בעוד שההוכחה למושג מבטיחה, העבודה עדיין נמצאת בחיתוליה. המכשיר נבנה על חומרי אבות-טיפוס ולא על רכיבים בדרגה רפואית, ומחקרים בעלי חיים ארוכי טווח נוספים יהיו נחוצים כדי לאמת באופן מלא את בטיחותה, עמידותה וביצועיו של הטכנולוגיה.

לפני כל יישום קליני, כל רכיבי המפתח, כולל ציפויי הגרסה והנדסת הרקמות המלאה לחלוטין, ידרשו בדיקות נוספות נוספות, כולל מחקרים על בעלי חיים לטווח הארוך.

מַשְׁמָעוּת

המחקר מספק את העדויות הראשונות לכך שטכניקות רובוטיות רכות יכולות לפתח בהצלחה לב מלא מלאכותי תואם ביולוגי המסוגל לספק תפוקת לב נאותה בתנאים פיזיולוגיים.

הלב ההיברידי שפותח במחקר יכול להתגבר על החסרונות של לבבות מלאכותיים זמינים כיום, ולספק הן משטחים אנטי-טרומבוגניים ותמיכה בשילוב רקמות.

בעתיד, ניתן היה לפתח עוד יותר את טכנולוגיית הציפוי, למשל, על ידי שילוב מולקולות המעודדות באופן פעיל את תאי הגוף להתיישב במכשיר וליצור רירית פנימית פונקציונלית. גישה כפולה זו להפחתת קרישת דם ותמיכה בשילוב רקמות של הגוף עשויה להפחית את הצורך בטיפול נוגד קרישה לכל החיים.

למרות שהלב ההיברידי עדיין לא מוכן לשימוש קליני וידרוש בדיקות ואופטימיזציה יסודית נוספת, הוא מדגים כיצד רובוטיקה רכה והנדסה ביומימטית יכולים לספק לבבות מלאכותיות יותר, פונקציונליות וניתנות להתאמה יותר לאי ספיקת לב בשלב הסופי.

הורד את עותק ה- PDF שלך עכשיו!