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麻省理工学院研发了一种心脏机器(右心室)，可模仿心跳与血液泵送

肖恩·沃利

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2024/01/16

麻省理工学院的工程师开发了一种机器人右心室复制品，可以模仿活体心脏的跳动和血液泵送能力。

该技术将真实的心脏组织与合成的气球状人造肌肉相结合。研究人员表示，它使科学家能够控制心室的收缩，同时观察天然瓣膜和其他结构的功能。

根据麻省理工学院的说法，工程师可以调整人工心室以模拟健康和疾病状态。他们操纵它来模拟右心室功能障碍的状况，包括肺动脉高压和心肌梗塞。此外，他们还使用人工心室模型来测试心脏设备，如植入式机械瓣膜。

该团队表示，这种机器人右心室（RRV）可以提供一个现实的平台来研究右心室疾病并测试设备和疗法。

“在重症监护病房环境中，右心室特别容易出现功能障碍，尤其是在机械通气的患者中，”麻省理工学院医学工程与科学研究所（IMES）的博士后Manisha Singh说。“RRV模拟器将来可用于研究机械通气对右心室的影响，并制定预防这些脆弱患者右心衰竭的策略。

Singh和她的同事在发表在《自然心血管研究》上的一篇论文中分享了这项技术的细节。

为什么是右心室？

根据麻省理工学院机械工程系研究副主任艾伦·罗奇（Ellen Roche）的说法，右心室是一种更薄的肌有更复杂的结构和运动。她说，它将脱氧血液泵送到肺部，因此不必用力泵送。

这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。

“传统工具通常无法捕捉到右心室的复杂机制和动力学，导致潜在的误诊和治疗策略不足，”Singh说。

为了解决这个问题，该团队希望创建一个模型，该模型可以捕捉右心室的解剖复杂性并重现其泵送功能。研究人员的模型具有真实的心脏组织，因为它保留了自然结构，这些结构被证明过于复杂而无法合成。

“有细而微小的脊索和瓣叶，具有不同的材料特性，它们都与心室的肌肉一起运动。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，“罗氏说。

测试机器人心脏技术

研究小组移植了一头猪的右心室，对其进行了治疗，以仔细保存其内部结构。然后，研究人员在其周围安装硅胶包裹，以充当柔软的合成心肌（肌肉衬里）。通过衬里，研究小组嵌入了长长的气球状管子，以环绕真正的心脏组织。

这些管子占据了通过计算建模确定的位置，这些位置最适合再现心室收缩。每根管子都连接到一个控制系统，设置为以模仿心脏真实节律和运动的速度给管子充气和放气。

然后，工程师向模型注入一种粘度与血液相似的液体，以测试泵送能力。他们使用透明液体来观察内部阀门和结构如何通过内部摄像头做出反应。研究小组发现，与他们在活的健康动物身上观察到的相似的泵送能力和功能相似。

他们还可以调整泵管的频率和功率，以模拟心脏状况。这些症状包括心律不齐、肌肉无力和高血压。

“从某种意义上说，我们正在使心脏复活，并且以一种我们可以研究并可能治疗其功能障碍的方式，”罗氏说。

心脏设备呢？

为了测试RRV测试心脏设备的能力，该团队通过手术植入了各种尺寸的环状医疗设备，以修复心脏室的三尖瓣。研究人员通过手术操纵了RRV的瓣膜来模拟这种情况。然后，他们要么用机械阀代替它，要么使用环状装置进行修复。

“凭借其准确复制三尖瓣功能障碍的能力，RRV是外科医生和介入心脏病专家的理想训练场，”Singh说。“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，然后再对实际患者进行手术。”

根据麻省理工学院的说法，RRV可以在几个月内模拟真实的功能。该团队希望扩展这一点，使模型能够连续运行更长的长度。他们还在进行使用植入式设备测试原型的工作。

“我们设想将其与左心室配对，以制造一个完全可调的人工心脏，该心脏可能在人体中发挥作用，”罗氏说。“我们还有很长一段时间，但这是总体愿景。