Aangezien de geriatrische populatie het komende decennium naar verwachting zal toenemen, dat geldt ook voor hartziekten in de Verenigde Staten. De vraag naar prothetische hartkleppen en andere hartapparaten - een markt die vandaag wordt gewaardeerd op meer dan $ 5 miljard dollar - zal naar verwachting in de komende zes jaar met bijna 13 procent stijgen.

Prothetische kleppen zijn ontworpen om een ​​echte, gezonde hartklep die helpt om het bloed door het lichaam te laten circuleren. Echter, velen van hen hebben problemen zoals lekkage rond de klep, en ingenieurs die werken aan het verbeteren van deze ontwerpen, moeten ze herhaaldelijk testen, eerst in eenvoudige benchtopsimulators, dan in dierlijke onderwerpen, voordat het menselijke proeven bereikt - een moeizaam en duur proces.

Nu hebben ingenieurs van MIT en elders een bionisch "hart" ontwikkeld dat een realistischer model biedt voor het testen van kunstmatige kleppen en andere hartapparaten.

Het apparaat is een echt biologisch hart waarvan het taaie spierweefsel is vervangen door een zachte robotmatrix van kunstmatige hartspieren, lijkt op bubbeltjesplastic. De oriëntatie van de kunstmatige spieren bootst het patroon van de natuurlijke spiervezels van het hart na, op zo'n manier dat wanneer de onderzoekers de bellen op afstand opblazen, ze werken samen om het innerlijke hart te knijpen en te draaien, vergelijkbaar met de manier waarop een echte, hele hart klopt en pompt bloed.

Met dit nieuwe ontwerp die ze een 'biorobotisch hybride hart' noemen, "De onderzoekers stellen zich voor dat apparaatontwerpers en ingenieurs ontwerpen sneller kunnen herhalen en verfijnen door te testen op het biohybride hart, de kosten van de ontwikkeling van hartapparaten aanzienlijk verminderen.

"Regelmatig testen van hartapparaten vereist veel vermoeidheidstests en dierproeven, " zegt Ellen Roche, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het MIT. "[Het nieuwe apparaat] kan realistisch weergeven wat er in een echt hart gebeurt, om het aantal dierproeven te verminderen of het ontwerp sneller te herhalen."

Roche en haar collega's hebben hun resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Wetenschap Robotica . Haar co-auteurs zijn hoofdauteur en MIT-afgestudeerde student Clara Park, samen met Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas, en Xuanhe Zhao aan het MIT, samen met medewerkers van de Nanyang Technology University, het Royal College of Surgeons in Dublin, Boston's kinderziekenhuis, Harvard Medical School, en het Massachusetts General Hospital (MGH).

"Mechanica van het hart"

Voordat ik naar MIT kwam, Roche werkte korte tijd in de biomedische industrie, helpen bij het testen van cardiale apparaten op kunstmatige hartmodellen in het laboratorium.

"Destijds had ik niet het gevoel dat een van deze tafelopstellingen representatief was voor zowel de anatomie als de fysiologische biomechanica van het hart, Roche herinnert zich. "Er was een onvervulde behoefte op het gebied van apparaattesten."

In afzonderlijk onderzoek als onderdeel van haar promotiewerk aan de Harvard University, ze ontwikkelde een zachte, robot, implanteerbare koker, ontworpen om rond een geheel te wikkelen, leef hart, om het te helpen bloed rond te pompen bij patiënten die lijden aan hartfalen.

Bij het MIT, zij en Park vroegen zich af of ze de twee onderzoeksrichtingen konden combineren, om een ​​hybride hart te ontwikkelen:een hart dat gedeeltelijk is gemaakt van chemisch geconserveerde, geëxplanteerd hartweefsel en gedeeltelijk van zachte kunstmatige actuatoren die het hart helpen bloed te pompen. Zo'n maquette, zij stelden voor, moet een meer realistische en duurzame omgeving zijn om hartapparaten te testen, vergeleken met modellen die ofwel volledig kunstmatig zijn maar niet de complexe anatomie van het hart weergeven, of zijn gemaakt van een echt geëxplanteerd hart, waarbij zeer gecontroleerde omstandigheden nodig zijn om het weefsel in leven te houden.

Het team overwoog even om een ​​geheel in te pakken, geëxplanteerd hart in een zachte robotmouw, vergelijkbaar met het eerdere werk van Roche, maar realiseerde het buitenste spierweefsel van het hart, het myocard, snel verstijfd wanneer verwijderd uit het lichaam. Elke robotcontractie door de mouw zou onvoldoende naar het hart binnenin worden vertaald.

In plaats daarvan, het team zocht naar manieren om een ​​zachte robotmatrix te ontwerpen om het natuurlijke spierweefsel van het hart te vervangen, zowel in materiaal als functie. Ze besloten hun idee eerst uit te proberen op de linker hartkamer, een van de vier kamers in het hart, die bloed naar de rest van het lichaam pompt, terwijl de rechterkamer minder kracht gebruikt om bloed naar de longen te pompen.

"De linker hartkamer is moeilijker te recreëren gezien de hogere werkdruk, en we beginnen graag met de harde uitdagingen, ' zegt Roche.

Het hart, ontrold

Het hart pompt normaal bloed door te knijpen en te draaien, een complexe combinatie van bewegingen die het resultaat is van de uitlijning van spiervezels langs het buitenste myocardium dat elk van de hartkamers bedekt. Het team was van plan een matrix van kunstmatige spieren te maken die op opblaasbare bubbels leken, uitgelijnd in de oriëntaties van de natuurlijke hartspier. Maar het kopiëren van deze patronen door de driedimensionale geometrie van een ventrikel te bestuderen, bleek een enorme uitdaging.

Ze kwamen uiteindelijk de theorie van de helixvormige ventriculaire myocardiale band tegen, het idee dat de hartspier in wezen een grote spiraalvormige band is die zich om elk van de hartkamers wikkelt. Deze theorie is nog steeds een onderwerp van discussie door sommige onderzoekers, maar Roche en haar collega's namen het als inspiratie voor hun ontwerp. In plaats van te proberen de spiervezeloriëntatie van het linkerventrikel te kopiëren vanuit een 3D-perspectief, het team besloot het buitenste spierweefsel van het ventrikel te verwijderen en het uit te pakken om een ​​lange, platte band - een geometrie die veel gemakkelijker te recreëren zou moeten zijn. In dit geval, ze gebruikten het hartweefsel van een geëxplanteerd varkenshart.

In samenwerking met co-lead auteur Chris Nguyen bij MGH, de onderzoekers gebruikten diffusie tensor beeldvorming, een geavanceerde techniek die doorgaans bijhoudt hoe water door de witte stof in de hersenen stroomt, om de microscopische vezeloriëntaties van een ontplooid linkerventrikel in kaart te brengen, tweedimensionale spierband. Vervolgens fabriceerden ze een matrix van kunstmatige spiervezels gemaakt van dunne luchtbuizen, elk verbonden met een reeks opblaasbare zakken, of bubbels, de oriëntatie waarvan ze een patroon vormden naar de afgebeelde spiervezels.

De zachte matrix bestaat uit twee lagen siliconen, met een in water oplosbare laag ertussen om te voorkomen dat de lagen gaan plakken, evenals twee lagen lasergesneden papier, die ervoor zorgt dat de bellen in een bepaalde richting worden opgeblazen.

De onderzoekers ontwikkelden ook een nieuw type bioadhesief om de noppenfolie aan de echte, intracardiaal weefsel. Hoewel er kleefstoffen bestaan ​​om biologische weefsels aan elkaar te binden, en en voor materialen zoals siliconen aan elkaar, het team realiseerde zich dat er maar weinig zachte lijmen zijn die biologisch weefsel met synthetische materialen aan elkaar lijmen, siliconen in het bijzonder.

Dus Roche werkte samen met Zhao, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT, die gespecialiseerd is in het ontwikkelen van lijmen op basis van hydrogel. De nieuwe lijm, genaamd TissueSil, werd gemaakt door siliconen te functionaliseren in een chemisch verknopingsproces, om te binden met componenten in hartweefsel. Het resultaat was een stroperige vloeistof die de onderzoekers op de zachte robotmatrix borstelden. Ze borstelden de lijm ook op een nieuw geëxplanteerd varkenshart waarvan de linkerventrikel was verwijderd, maar de endocardiale structuren waren behouden. Toen ze de kunstmatige spiermatrix om dit weefsel wikkelden, de twee hechtten zich stevig aan elkaar.

Eindelijk, de onderzoekers plaatsten het hele hybride hart in een mal die ze eerder van het origineel hadden gegoten, hele hart, en vulde de mal met siliconen om het hybride hart in een uniforme bedekking te omhullen - een stap die een vorm produceerde die leek op een echt hart en ervoor zorgde dat de robotachtige noppenfolie goed rond het echte ventrikel paste.

"Op die manier, je verliest de overdracht van beweging van de synthetische spier naar het biologische weefsel niet, ' zegt Roche.

Toen de onderzoekers lucht in de noppenfolie pompten met frequenties die leken op een natuurlijk kloppend hart, en beeldde de reactie van het bionische hart af, het trok samen op een manier die vergelijkbaar is met de manier waarop een echt hart beweegt om bloed door het lichaam te pompen.

uiteindelijk, de onderzoekers hopen het bionische hart te gebruiken als een realistische omgeving om ontwerpers te helpen bij het testen van hartapparaten zoals prothetische hartkleppen.

"Stel je voor dat een patiënt vóór implantatie van een hartapparaat zijn hart zou kunnen laten scannen, en vervolgens konden clinici het apparaat afstemmen om optimaal te presteren bij de patiënt ruim voor de operatie, " zegt Nyugen. "Ook, met verdere tissue engineering, we zouden mogelijk kunnen zien dat het biorobotische hybride hart wordt gebruikt als een kunsthart - een zeer noodzakelijke mogelijke oplossing gezien de wereldwijde hartfalenepidemie waarbij miljoenen mensen overgeleverd zijn aan een competitieve harttransplantatielijst."