Ученые напечатали мягкое сердце, которое работает как настоящее
Последние несколько лет наука и искусство протезирования стремительно развивались, а исследования в области мягкой робототехники были особенно интересными. Те же самые методы, которые применяются при конструировании роборуки, помогают создавать более сложные и тонкие конструкции, в том числе и сердце.
Качественно работающее искусственное сердце — необходимость: около 26 миллионов человек во всем мире страдают от сердечной недостаточности, и органов от доноров не хватает. Искусственные насосы, качающие кровь, помогают сократить время ожидания до тех пор, пока пациент не получит сердце донора или не восстановит работу собственного.
Сегодня эффективных роботов, полностью заменяющих такой важный орган, как сердце, не существует. Однако есть полезные разработки, частично восполняющих функции сердца. Например, мягкая роботизированная муфта, разработанная исследователями Гарвардского университета и Бостонской детской больницы, изготавливается точно по контурам сердца и окружает его, а затем сокращается в такт естественному ритму, помогая органу справляться с работой в условиях сердечной недостаточности.
В Швейцарии ученым удалось создать искусственное человеческое сердце, максимально приближенное к реальному. Силиконовая модель разработана докторантом Николасом Корсом (Nicholas Cohrs) под руководством Венделина Старка (Wendelin Stark), профессора по разработке функциональных материалов в Швейцарской высшей технической школе Цюриха.
Есть множество причин, по которым ученые стремятся воссоздать естественные формы и функционал сердца в искусственном имплантате. В тех насосах, что используются сейчас, есть недостатки: их металлические и пластиковые механизмы в некоторых случаях трудно интегрируются с естественными тканями после пересадки, а у пациента при этом отсутствует физиологический пульс. Поэтому цель ученых — создать такое искусственное сердце, которое по своей форме и функции максимально приближено к органическому.
Исследователи напечатали мягкое искусственное сердце из силикона с использованием технологии литья по восковым моделям, которая позволила создать сложную внутреннюю структуру, сохраняя мягкость и гибкость исходного материала. Само сердце представляет из себя моноблок, поэтому нет необходимости беспокоиться о том, как механические части сердца будут взаимодействовать с тканями организма, за исключением входных и выходных артерий, через которые кровь будет проходить к имплантату.
Такое сердце объемом 679 см3 весит 390 граммов. Для сравнения — в среднем вес сердца человека составляет 331 грамм. Модель состоит из правого и левого желудочка, которые разделены не перегородкой, а дополнительной камерой. Через эту камеру проходит сжатый воздух, который перекачивает жидкость из одной камеры в другую, имитируя сокращение мышц сердца человека.
Другая группа исследователей оценила работу этого искусственного сердца. Ученые подтвердили, что оно работает и сокращается подобно человеческому сердцу. Тем не менее у него все еще есть проблема: сейчас модель выдерживает около 3 тысяч ударов — 30–45 минут непрерывной работы, а затем материал не выдерживает деформации.
Корс объясняет, что их цель состояла не в том, чтобы представить сердце, готовое к имплантации, а в том, чтобы задать новое направление для развития искусственных сердец. Конечно, они планируют в значительной степени повысить прочность и производительность материала.
Вся работа производилась в Университете медицины Цюриха в рамках программы Zurich Heart Project. Всего здесь работает 20 исследовательских групп из разных учреждений Цюриха и Берлина. Часть исследований сосредоточена на совершенствовании существующих кровяных насосов, например, уменьшении повреждений крови, вызванных работой механических частей насоса. Другая же команда исследует эластичные мембраны и другие биосовместимые материалы и поверхности.
Здесь же была разработана среда для тестирования искусственных сердец, с помощью которой можно имитировать сердечно-сосудистую систему человека. Команда Корса использовала ее для своего процесса разработки, которая также включала работу с жидкостью, сравнимой по вязкости с кровью человека.
doi: 10.1111/aor.12956
