Мягкое роботизированное сердечное устройство предотвращает сердечную недостаточность
Исследователи разработали имплантируемое, мягко-роботизированное сердечное устройство, которое укладывается вокруг неисправного сердца и помогает восстановить нормальный кровоток.
Новое устройство в биомедицинском мире призвано помочь восстановить кровоток у больных пациентов. Устройство скручивается и сжимается синхронно с сокращениями сердечной мышцы, чтобы помочь отказу крови сердечного насоса снова. Это значительный прогресс, который может помочь предотвратить сердечную недостаточность, которая представляет собой проблему с несколькими миллиардами долларов, затрагивающую 41 миллион человек во всем мире.
Сердечное устройство подходит по сердцу. Изображение предоставлено Science Translational Medicine
Предыдущие действия
Несколько инженерных групп исследуют методы лечения сердечных неудач или даже строение искусственного сердца. 3D-печатные сердечные клапаны, бионические сердечные патчи и световой активированный роботизированный луч - лишь некоторые из этих попыток. Хотя каждое из этих начинаний обозначается как веха в продвижении технологии, коммерчески приемлемое решение по-прежнему остается недосягаемым.
С другой стороны, текущий и общий подход к улучшению сердечной циркуляции использует желудочковое вспомогательное устройство (AVD). VAD обходит неудавшееся сердце, удаляя кровь из сердца и закачивая ее в аорту или легочную артерию.
Несмотря на то, что они распространены, есть несколько недостатков этого подхода. Во-первых, в VAD кровь находится в контакте с искусственными объектами, такими как трубки, насосы и т. Д. Это делает возможными осложнения со здоровьем, такие как свертывание и инсульт, если пациент не принимает разбавителей крови. Хотя разбавители крови предотвращают свертывание крови, они требуют постоянного мониторинга и могут привести к проблемам с кровотечением. Во-вторых, VAD нарушает естественное движение сердечных мышц.
VAD обходит сердце, чтобы циркулировать кровь и лечить сердечную недостаточность. Изображение предоставлено Madhero88 (собственная работа) (CC BY-SA 3.0)
Чтобы прийти к лучшему решению, команда исследователей из Гарвардского университета и Бостонской детской больницы искала вспомогательное устройство, которое вообще не касалось крови. Они считали устройство, которое могло обнять сердце и помочь ему снова прокачать кровь. Было очевидно, что обычные механические устройства не подходят для этого применения, потому что они жесткие и имеют тенденцию нагреваться и, следовательно, не могут быть в контакте с сердечными мышцами.
Исследователи полагали, что мягкая роботизация, которая является совместимой и способной к сложным движениям, может использоваться для имитации внешних сердечных мышечных слоев.
Новое решение
Главная задача при разработке нового сердечного устройства заключалась в подражании скручиванию и сжатию, которое происходит, когда сердце бьется. Это сложное движение похоже на вытеснение воды из влажного полотенца. Другими словами, когда сердце бьется, верхняя и нижняя мышцы сердца скручиваются в противоположных направлениях.
Чтобы имитировать это движение, исследователи разработали мягкое роботизированное сердечное устройство с двумя наборами пневматических приводов с пневматическим приводом. Как показано на следующем рисунке, они использовали группу концентрических кольцеобразных приводов, которые могли бы сжимать мышцы и группу винтовых исполнительных механизмов, которые могли бы скручивать сердечное устройство. Активация этих двух приводов одновременно, исследователи достигли устройства, которое могло бы имитировать сложные сокращения сердечных мышц.
Использование двух наборов исполнительных механизмов позволило кардиостимулятору имитировать сердечные движения. Изображение предоставлено Science Translational Medicine
Интересно, что новое сердечное устройство настраивается и может сжимать одну сторону сердца, не затрагивая другую сторону. Это важно, поскольку хроническая сердечная недостаточность часто не влияет на весь орган, а только на конкретный раздел.
Эллен Рош, ведущий автор исследования и бывший кандидат в докторантуру Гарварда, идет еще на один шаг выше этого и предполагает, что, возможно, уровень помощи устройства может быть скорректирован по мере развития состояния пациента.
Для сердечного аппарата исследователи использовали McKibben Muscles, который является одним из наиболее широко используемых типов пневматических искусственных мышц (PAM), и построил как кольцеобразные, так и спиральные мышцы, как показано на предыдущем изображении. Они рассмотрели несколько конструкций, чтобы найти лучший материал и метод изготовления, которые могли бы дать конформное устройство.
Но как именно работает PAM?
Пневматические искусственные мышцы (PAM)
PAM - это тип пневматических приводов, которые сжимаются при инфляции. Это контрастирует с сильфонами, которые распространяются на инфляцию.
Ядро PAM представляет собой гибкую мембрану, которая передает механическую мощность на нагрузку, выпучиваясь наружу или сжимая в зависимости от внутреннего давления воздуха. На следующем рисунке показано, как работает произвольная PAM. Устройство закреплено на одном конце и имеет массу, зависающую от другой. На этом рисунке давление увеличивается от начального значения от нуля до P2. По мере увеличения давления устройство выгибается и его длина уменьшается. Следовательно, масса поднимается вверх.
Работа PAM. Изображение предоставлено университетом Vanderbilt University EECS
Как показал вышеприведенный эксперимент, сила и движение, создаваемые этими устройствами, являются линейными и однонаправленными. Для создания двунаправленного движения требуется антагонистическая настройка, как показано на следующем изображении.
Антагонистическая установка для создания двунаправленного движения. Изображение предоставлено университетом Vanderbilt University EECS
Несмотря на легкий вес, PAM способны переносить относительно большие объемы энергии.
Испытания животных и проблемы
Команда исследовала устройство, используя как синтетическое сердце, так и свиные трупы. Они также навязывали живые свиньи, чтобы вызвать сердечную недостаточность, а затем использовали изобретение для восстановления кровотока животного. Устройство может успешно соответствовать поверхности сердца животного и синхронизироваться с схватками. Хотя эти тесты подтверждают осуществимость идеи, предстоит пройти долгий путь, прежде чем перемещать робота в человеческие испытания.
К сожалению, эксперимент показал, что трение между устройством и сердцем приводит к воспалению на поверхности ткани. Чтобы уменьшить воспаление, исследователи разработали гидрогель, который применялся в качестве защитного слоя между сердцем и устройством. Тем не менее, долгосрочные исследования на животных по-прежнему необходимы для исследования потенциальных хронических осложнений нового метода. Исследователи уточняют, что для того, чтобы иметь портативную систему, пациенту необходимо будет снабжать сжатый воздух для питания пневматических приводов.
Изобретение показывает, что безопасное взаимодействие между мягкими тканями и мягкой робототехникой вполне возможно. Это открывает двери для нескольких других будущих приложений, где подобное устройство может поставлять механотерапию как внутри, так и снаружи тела.
Подробности этого исследования опубликованы в Science Translational Medicine.
Рекомендуемое изображение используется любезностью Эллен Рош.