麻省理工学院的仿生“心脏”由心脏组织和机器人泵送系统制成,跳动像真的一样

Biorobotic心

这是一个由软机器人执行器组成的合成矩阵的特写,它可以缠绕在心室上并充气,以与真正的心脏泵血一样的方式挤压和扭曲心脏。资料来源:Ellen Roche等

工程师设计仿生“心脏”用于测试人工瓣膜和其他心脏设备。

随着老年人口预计将在未来十年激增,美国的心脏病发病率也将上升。对人工心脏瓣膜和其他心脏装置的需求——目前的市场价值超过50亿美元——预计在未来六年内将增长近13%。

假肢阀门设计用于模仿真实的健康的心脏瓣膜,帮助循环血液通过身体。然而,许多人在阀门周围泄漏等问题,致力于改善这些设计的工程师必须重复测试它们,首先在达到人类试验之前,在动物科目中首先在动物科目中进行测试 - 这是一个艰苦和昂贵的过程。

现在的工程师麻省理工学院其他地方开发了一种仿生性的“心脏”,为测试人工阀和其他心脏装置提供了更现实的模型。

这个装置是一个真正的生物心脏,它坚韧的肌肉组织被一个柔软的人造心脏肌肉机器人矩阵取代,类似于气泡膜。人造肌肉的方向模仿了心脏天然肌肉纤维的模式,这样当研究人员远程充气时,它们一起行动挤压和扭曲心脏内部,类似于真实的整个心脏跳动和泵血的方式。

有了这种他们称之为“生物机器人混合心脏”的新设计,研究人员设想,设备设计师和工程师可以通过在生物混合心脏上测试,更快地迭代和微调设计,显著降低心脏设备开发的成本。

麻省理工学院(MIT)机械工程助理教授艾伦•罗奇(Ellen Roche)表示:“心脏装置的监管性测试需要许多疲劳测试和动物测试。”“(这种新设备)可以真实地再现真正的心脏,减少动物实验的数量,或更快地迭代设计。”

Roche和她的同事们在科学机器人学中发表了他们的结果。她的共同作者是领导作者和麻省理工学院研究生克拉拉公园,以及叶林粉丝,格雷戈尔·赫格兰克,炫酷,艾丽森·罗哈,艾莉森·罗哈,以及麻省理工学院,以及南洋科技大学的合作者,皇家外科医院in Dublin, Boston’s Children’s Hospital, Harvard Medical School, and Massachusetts General Hospital (MGH).

《心灵的机制》

在来到麻省理工学院之前,罗氏曾在生物医学行业短暂工作过,帮助在实验室的人工心脏模型上测试心脏设备。

Roche回忆道:“当时,我并不认为这些工作台设置能够代表心脏的解剖学和生理生物力学。“在设备测试方面,需求尚未得到满足。”

在单独的研究中作为她在哈佛大学博士工作的一部分,她开发了一种柔软,机器人,植入的套筒,旨在缠绕在整个活的心脏上,帮助它患有心力衰竭的患者的血液。

在麻省理工学院,她和Park想知道他们是否可以将这两种研究方法结合起来,开发出一种混合心脏:一种部分由化学保存的移植心脏组织和部分由帮助心脏泵血的软人工执行器组成的心脏。这样一个模型,他们提出,应该是一个更现实的和持久的环境中测试心脏设备,相比之下,要么完全人工模型,但不要捕捉复杂的解剖结构,或者是由一个真正的心脏移植,要求严格控制的条件下保持组织活力。

该团队曾短暂考虑过将整个移植的心脏包裹在一个柔软的机器人套管中,类似于罗氏之前的工作,但意识到心脏的外部肌肉组织,即心肌,在从身体取出时迅速变硬。任何由袖套进行的机械收缩都无法充分传导到内部的心脏。

相反,该团队寻找方法来设计一种柔软的机器人矩阵来替代心脏的天然肌肉组织,无论是在材料上还是功能上。他们决定首先在心脏的左心室试验他们的想法,左心室是心脏的四个腔室之一,将血液泵到身体的其他部位,而右心室将血液泵到肺部的力较小。

罗奇说:“由于左心室的手术压力较高,重建它是比较困难的,我们喜欢从困难的挑战开始。”

心脏,展开

心脏通常通过挤压和扭曲来泵血,这是一种复杂的运动组合,是覆盖在每个心室的心肌外层的肌纤维排列的结果。该团队计划制造一种人造肌肉基质,类似于充气气泡,与天然心肌的方向对齐。但事实证明,通过研究心室的三维几何结构来复制这些图案是极具挑战性的。

他们最终遇到了螺旋心室心肌带理论,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。这个理论仍然是一些研究人员争论的话题,但罗奇和她的同事把它作为他们设计的灵感。研究小组没有尝试从3D角度复制左心室的肌肉纤维方向,而是决定移除心室外部的肌肉组织,并将其展开形成一条长而平的带子——这种几何形状应该更容易重建。在这种情况下,他们使用了移植的猪心脏组织。

In collaboration with co-lead author Chris Nguyen at MGH, the researchers used diffusion tensor imaging, an advanced technique that typically tracks how water flows through white matter in the brain, to map the microscopic fiber orientations of a left ventricle’s unfurled, two-dimensional muscle band. They then fabricated a matrix of artificial muscle fibers made from thin air tubes, each connected to a series of inflatable pockets, or bubbles, the orientation of which they patterned after the imaged muscle fibers.

柔软的基体由两层硅胶组成,在硅胶层之间有一层可溶于水的硅胶层,以防止两层硅胶层粘在一起,以及两层激光切割纸,以确保气泡在特定的方向膨胀。

研究人员还开发了一种新型生物粘合剂,将气泡膜粘在心室真正的心内组织上。虽然粘接剂可以将生物组织相互粘合,也可以将硅酮等材料相互粘合,但研究小组意识到,很少有软性粘接剂可以将生物组织与合成材料(尤其是硅酮)粘合在一起。

因此,罗氏与麻省理工学院(MIT)机械工程副教授赵合作,赵专门研究开发水凝胶粘合剂。这种名为TissueSil的新型粘合剂是通过化学交联过程将硅酮功能化,与心脏组织中的成分结合而制成的。研究人员将一种粘性液体涂在柔软的机器人基体上。他们还将这种胶水刷在一个新移植的猪心脏上,该心脏的左心室被切除,但心内膜结构保留了下来。当他们将人造肌肉基质包裹在这个组织上时,两者就紧密结合了。

最后,研究人员将整个混合心脏放入模具中,他们以前铸造了原始的,全心全意,并用硅树脂填充模具,以将杂种心脏包装在均匀的覆盖物中 - 产生类似于真实的形式的步骤心脏并确保机器人泡沫缠绕在真正的心室周围紧密贴合。

“这样,你就不会失去从人造肌肉到生物组织的运动传递,”罗奇说。

当研究人员以类似于自然跳动心脏的频率向气泡包装中注入空气,并对仿生心脏的反应进行成像时,它收缩的方式类似于真正的心脏将血液泵入全身的方式。

最终,研究人员希望利用仿生心脏作为一个现实的环境,以帮助设计师测试心脏设备,如人工心脏瓣膜。

Nyugen说:“想象一下,在植入心脏设备之前,病人可以进行心脏扫描,然后临床医生就可以在手术前调整设备,使其在病人体内表现最佳。”“此外,随着组织工程的进一步发展,我们可能会看到生物机器人混合心脏被用作人工心脏——这是一个非常需要的潜在解决方案,考虑到全球心脏衰竭的流行,数以百万计的人都在竞争激烈的心脏移植名单上。”

该研究部分受到国家科学基金会的支持。

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