麻省理工学院的工程师们已经开发出了一种心脏右心室的机器人复制品,它模仿了活体心脏的跳动和泵血动作。
机器人心室结合了真正的心脏组织和合成的、像气球一样的人造肌肉,使科学家能够控制心室的收缩,同时观察其天然瓣膜和其他复杂结构的功能。
人工心室可以调节以模拟健康和患病状态。该团队操纵模型来模拟右心室功能障碍的情况,包括肺动脉高压和心肌梗死。他们还用这个模型来测试心脏装置。例如,研究小组植入一个机械瓣膜来修复一个自然故障的瓣膜,然后观察心室的泵送是如何变化的。
他们说,新的机器人右心室(RRV)可以作为一个现实的平台来研究右心室疾病,并测试旨在治疗这些疾病的设备和疗法。
麻省理工学院医学工程与科学研究所(IMES)的博士后Manisha Singh说:“在重症监护病房环境中,右心室特别容易受到功能障碍的影响,尤其是在机械通气的患者中。”“RRV模拟器可以在未来用于研究机械通气对右心室的影响,并制定预防这些弱势患者右心衰的策略。”
辛格和她的同事在今天发表在《自然心血管研究》上的一篇论文中报告了新设计的细节。
右心室是心脏的四个腔室之一,另外两个分别是左心室和左右心房。在四个心室中,左心室是最重要的,因为它厚实的锥形肌肉组织是为了将血液输送到全身而建立的。罗奇说,相比之下,右心室是“芭蕾舞演员”,因为它处理的负荷更轻,但同样重要。
罗奇指出:“右心室将缺氧的血液泵入肺部,所以它不需要像泵那样用力。”“这是一块更薄的肌肉,有着更复杂的结构和运动。”
这种解剖复杂性使得临床医生难以准确观察和评估心脏病患者的右心室功能。
Singh说:“传统的工具往往不能捕捉到右心室复杂的力学和动力学,导致潜在的误诊和不充分的治疗策略。”
为了提高对鲜为人知的心室的理解,加快心脏设备的发展以治疗其功能障碍,该团队设计了一个真实的,功能的右心室模型,既捕捉了其解剖复杂性,又重现了其泵送功能。
该模型包括真正的心脏组织,该团队选择将其纳入其中,因为它保留了太复杂而无法合成的自然结构。
“有细而细小的索和瓣膜小叶,它们具有不同的材料特性,它们都与心室肌肉一起运动。试图铸造或打印这些非常精致的结构是相当具有挑战性的,”罗奇解释说。
在这项新研究中,研究小组报告了对猪右心室的解释,他们对右心室进行了精心处理,以保存其内部结构。
然后他们在它周围装上一层硅胶,作为一层柔软的人造心肌或肌肉衬里。在这层衬里,研究小组嵌入了几个长而像气球一样的管子,它们环绕着真正的心脏组织,研究小组通过计算模型确定了这些管子的位置,以达到再现心室收缩的最佳效果。
研究人员将每个试管连接到一个控制系统,然后他们设置每个试管以模仿心脏的真实节奏和运动的速度充气和放气。
为了测试它的泵送能力,研究小组向模型注入了一种粘度与血液相似的液体。这种特殊的液体也是透明的,这使得工程师们可以用内部摄像机观察到当心室泵送液体通过时,内部阀门和结构是如何反应的。
他们发现人造心室的泵送功率和内部结构的功能与他们之前在健康活体动物身上观察到的相似,这表明该模型可以真实地模拟右心室的运动和解剖结构。研究人员还可以调整泵管的频率和功率来模拟各种心脏状况,如不规则心跳、肌肉衰弱和高血压。
罗奇说:“从某种意义上说,我们正在使心脏复活,并以一种我们可以研究和潜在地治疗其功能障碍的方式。”
为了证明人造心室可以用于测试心脏装置,研究小组通过外科手术植入了各种大小的环形医疗装置来修复心室的三尖瓣——一个叶状的单向阀,让血液进入右心室。当这个瓣膜渗漏或身体受损时,它会导致右心衰或心房颤动,并导致运动能力下降、腿部和腹部肿胀以及肝脏肿大等症状
研究人员通过外科手术操纵机器人心室的瓣膜来模拟这种情况,然后通过植入机械瓣膜来取代它,或者使用不同大小的环形装置来修复它。他们观察了哪种装置在心室继续泵送的过程中改善了心室的液体流动。
Singh说:“RRV具有精确复制三尖瓣功能障碍的能力,是外科医生和介入心脏病专家的理想培训基地。”“在对实际患者进行手术之前,他们可以在我们的模型上练习新的手术技术来修复或更换三尖瓣。”
目前,RRV可以在几个月内模拟真实的功能。该团队正在努力扩展这种性能,使模型能够连续运行更长时间。他们还与可植入设备的设计师合作,在人工心室上测试他们的原型,并可能加快它们的应用速度。展望未来,罗氏计划将RRV与一个类似的人工左心室功能模型配对,该团队目前正在对其进行微调。
罗奇说:“我们设想将它与左心室配对,制造出一个完全可调的人造心脏,它可能在人类身上发挥作用。”“我们还需要一段时间,但这是总体愿景。”
更多信息:Manisha Singh等人,机器人右心室是一个生物混合平台,模拟(病理)生理条件和干预下的右心室功能,Nature Cardiovascular Research(2023)。DOI: 10.1038/s44161-023-00387-8期刊信息:Nature Cardiovascular Research
麻省理工学院提供
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引用:工程师们设计了一个心脏右腔的机器人复制品(2023年12月8日)
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