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麻省理工团队设计“生物机械混合心脏”:逼真模拟心脏跳动方式和血液循环

心脏瓣膜是生长在人的心房和心室、或心室与大动脉之间的瓣膜,作为单向阀以保证血流单方向流动。当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时,则须采用人工心脏瓣膜…


心脏瓣膜是生长在人的心房和心室、或心室与大动脉之间的瓣膜,作为单向阀以保证血流单方向流动。当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时,则须采用人工心脏瓣膜置换术。


人工心脏瓣膜作为治疗多种心脏病的最后手段之一,在人口老龄化趋势加重的现代社会前景广阔。有数据显示,人工心脏瓣膜和其他心脏设备的需求预计在未来六年中增长近 13%。


目前换瓣手术动辄十万元起,同时还面临着瓣膜周围渗漏等等问题。工程师必须反复改进设计,然后进行简单的台式模拟测试和动物实验,最后进入人体试验,整个过程繁琐且昂贵。


图 | 人工心脏瓣膜(来源:哈佛大学)


近日,麻省理工学院联合哈佛医学院,以及其他一些研究机构的科学家们共同在《科学机器人》上发表了一项研究成果——仿生心脏,它将被用来模拟测试人工瓣膜和其他心脏设备。


这种被称为 “生物机械混合心脏” 的仿生心脏极其接近真实生物心脏,它的构成一部分是用化学方法保存的活体心脏组织,另一部分是帮助心脏输送血液的人造基体。


如下图所示,心脏下部的肌肉组织被替换成了人造心肌,这种人造心肌是一个柔软的、由 TissueSil 粘合剂组合起来的人造模型,类似汽泡纸。


图 | 心脏下部的肌肉组织被替换成了人造心肌(来源:MIT News)


人造肌肉的方向模拟心脏天然的纤维形态,研究人员可以远程充气,通过挤压心脏内部来模拟真实的心脏跳动方式和血液循环。


这样一来,研究人员就可以在这个仿生心脏上进行测试、微调和迭代,从而降低心脏设备开发的成本。


混合型心脏的点子是如何想到的呢?


论文通讯作者之一,麻省理工学院机械工程助理 Ellen Roche 此前曾研究过用软体套管包裹完整的活体心脏帮助患者输送血液,但心肌从体内取出后很快就会变硬。另一方面,如果完全用人工心脏的话又无法观察到心脏复杂的解剖结构。


图 | “生物机械混合心脏”(来源:AAAS)


所以,团队最终选择设计一种柔软的人造基体替代心肌,并在左心室尝试验证他们的想法。Roche 表示:“左心室工作时压力较大,重建难度高,不过我们想要先从难的部分开始。”


在实际操作中,他们发现了螺旋形心室心肌带理论(the helical ventricular myocardial band theory),该理论认为心肌本质上是一个巨大的螺旋带,包裹着每个心室。因此他们没有选择从 3D 角度复制心肌纤维的方向,而是将之移除并展开,形成一条平带,这样的几何结构更容易被重建。


最终形成的人造纤维基体是由细的呼吸管构成的,每根呼吸管连接着一串可充气的气泡,他们根据肌肉纤维成像图来确定方向。当研究人员以心跳频率向气泡膜中泵入空气,并对仿生心脏的反应进行成像时,它的收缩方式与真实心脏活动和输送血液的方式类似。


Roche 表示:“这样一来就可以实现从人造肌肉到生物组织的运动传递。


-End-


参考:

http://news.mit.edu/2020/bionic-heart-prosthetic-valve-cardiac-0129

https://robotics.sciencemag.org/content/5/38/eaay9106/tab-article-info


本篇文章来源于微信公众号: DeepTech深科技

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