由心臟組織和機器泵送系統製成的裝置像真實事物一樣跳動。
朱珍妮| 麻省理工學院新聞辦公室
預計在未來十年中，老年人口將激增，心臟病發病率也將上升。人工心臟瓣膜和其他心臟設備的需求（今天這個市場價值超過50億美元）預計在未來六年中將增長近13％。
人工瓣膜旨在模仿真實、健康的心臟瓣膜，以幫助血液在體內循環。但是，它們中的許多問題都存在諸如瓣膜周圍洩漏的問題，而致力於改進這些設計的工程師必須反覆進行測試，首先要在簡單的臺式模擬器中進行測試，然後再在動物受試者中進行測試，然後再進行人體試驗，這是一個艱鉅而昂貴的過程。
現在，麻省理工學院和其他地方的工程師已經開發出了仿生“心臟”，它為測試人工瓣膜和其他心臟設備提供了更為現實的模型。
該設備是真正的生物心臟，其堅硬的肌肉組織已被柔軟的人造機器矩陣心臟肌肉的所替代，類似於泡沫包裝墊。人造肌肉的方向模仿了心臟的天然肌纖維的形態，以至於當研究人員遠程膨脹氣泡時，它們共同作用來擠壓和扭曲內部的心臟組織，就像真實的整個心臟跳動並泵出血液的方式一樣。
通過這種被稱為“生物機器混合心臟”的新設計，研究人員設想設備設計師和工程師可以通過對生物混合心臟進行測試來更快地迭代和微調設計，從而顯著降低了心臟設備開發的成本。
麻省理工學院機械工程學助理教授艾倫·羅奇（Ellen Roche）說：“對心臟設備進行監管測試需要進行許多疲勞測試和動物測試。新設備可以真實地代表真實心臟中發生的事情，以減少動物測試的數量或更快地迭代設計。”
羅奇和她的同事今天在《科學機器人》雜誌上發表了他們的研究結果。她的共同作者是MIT的第一作者和MIT研究生克拉拉·帕克（Clara Park），以及MIT的Fan Yiling，Gregor Hager，Yyunwoo Yuk，Manisha Singh，Allison Rojas和Zhao Xuanhe Zhao，以及南洋理工大學、皇家外科醫生學院、波士頓兒童醫院、哈佛醫學院和馬薩諸塞州綜合醫院的合作者。
磁共振成像下生物機器人混合心臟的結構。信用：Christopher T. Nguyen
心臟運行機制
在加入麻省理工學院之前，羅奇曾在生物醫學行業短暫工作過，幫助在實驗室中的人工心臟模型上測試心臟設備。
“當時我還沒有感覺到這些臺式機可以代表心臟的解剖結構和生理生物力學，” 羅奇回憶道。“在設備測試方面存在無法滿足的需求。”
在哈佛大學從事博士工作的另一項研究中，她開發了一種柔軟的，可植入的機器人套，旨在包裹整個活著的心臟，以幫助患有心力衰竭的患者輸送血液。
在麻省理工學院，她和帕克想知道他們是否可以結合這兩種研究途徑來開發混合心臟：這種心臟部分由化學保存、植入的心臟組織製成，部分由有助於心臟泵血的柔軟人工驅動器組成。她們提出，與完全人造的但不具有心臟複雜解剖結構的模型，或者是由真正的離體心臟製成的模型相比，這種模型應該是一個更現實、更持久的方案，可以在其中測試心臟設備控制條件以保持組織存活。
研究小組曾考慮用柔軟的機械外套將整個心臟包裹起來，這與羅奇以前的工作類似，但是意識到心臟的外部肌肉組織（心肌）在從體內取出後會迅速變硬。套筒引起的任何機器人收縮都無法充分地將其轉化為心臟跳動。
取而代之的是，該團隊尋求設計軟機器矩陣的方法，以取代心臟的天然肌肉組織，無論是材料還是功能。他們決定首先在心臟的左心室（心臟的四個腔室之一）中嘗試他們的想法，該心室將血液泵送到身體的其餘部分，而右心室則使用較少的力將血液泵到肺部。
羅奇說：“鑑於較高的操作壓力，左心室較難重建，我們希望從艱鉅的挑戰中入手。”
展開心臟
心臟通常通過擠壓和扭曲來泵送血液，這是複雜的運動組合，這是由於沿著覆蓋每個心臟心室的外部心肌排列的肌肉纖維對齊的結果。研究小組計劃製造出類似於可充氣氣泡的人造肌肉矩陣，並沿天然心肌的方向排列。但是，通過研究心室的三維幾何形狀來複制這些模式非常困難。
她們最終遇到了螺旋心室心肌帶理論，即心肌本質上是一條纏繞在每個心室周圍的大螺旋帶。該理論仍然是一些研究人員爭論的話題，但是羅奇和她的同事們將其作為設計靈感。該團隊決定不嘗試從3D角度複製左心室的肌肉纖維方向，而是決定移除心室的外部肌肉組織並展開以形成一條長而平坦的帶子-這種幾何形狀應該更容易重建。在這種情況下，他們使用了豬的心臟組織。
與馬薩諸塞州綜合醫院的共同第一作者克里斯·阮（Chris Nguyen）合作，研究人員使用了擴散張量成像技術，該技術通常跟蹤水如何流過大腦中的白質，以繪製左心室未彎曲的二維肌纖維的微觀方向。然後，他們製作了由細空氣管制成的人造肌纖維基質，每根氣管都連接到一系列可充氣的口袋或氣泡上，它們的方向在排布根據成像的肌肉纖維來確定。
生物機械混合心臟的運動模仿了超聲心動圖下心臟的泵送運動。圖片：Mossab Saeed
軟矩陣由兩層有機硅組成，兩層有機硅之間有一層水溶性層（可防止兩層粘在一起），以及兩層激光切割紙，可確保氣泡按特定方向膨脹。
研究人員還開發了一種新型的生物粘合劑，可將氣泡材料粘合到心室的真實心內組織上。儘管存在用於將生物組織彼此粘合以及將有機硅等材料粘合的粘合劑，但研究小組意識到，很少有軟粘合劑能夠很好地將生物組織與合成材料（尤其是有機硅）粘合在一起。
因此，羅奇與麻省理工學院機械工程副教授趙（Zhao）合作，他專門研究水凝膠基膠粘劑。這種新的名為TissueSil的粘合劑是通過在化學交聯過程中對有機硅進行功能化而製成的，從而與心臟組織中的成分粘合在一起。最終他們得到一種粘性液體，研究人員將其刷到了柔軟的機械矩陣上。他們還將膠水刷到了一個新的離體豬心臟上，該豬心臟的左心室被去除了，但其心內膜結構得以保留。當他們將人造肌肉包裹在該組織周圍時，兩者緊密結合。
最終，研究人員將整個混合心臟放入以前鑄造的完整的原始心臟的模具中，並用硅樹脂填充該模具，以將混合心臟包裹在均勻的覆蓋物中，並確保機械氣泡緊貼真實的心室，這一步驟產生的形狀類似於真實的心臟。
羅奇說：“這樣一來，您就不會失去從合成肌到生物組織的運動傳遞。”
當研究人員以類似於自然跳動的心臟的頻率將空氣泵入氣泡中，並對仿生心臟的反應進行成像時，它的收縮方式類似於真實心臟泵送血液的方式。
最終，研究人員希望將仿生心臟用作現實環境，以幫助設計人員測試人造心臟瓣膜等心臟設備。
“想象一下，在植入心臟設備之前可以對患者的心臟進行掃描，然後臨床醫生可以在手術前對設備進行調整以使其在患者體內達到最佳性能，” 阮說。“此外，通過進一步的組織工程，我們有可能看到將生物機器混合心臟用作人造心臟-考慮到全球性心力衰竭流行病的成千上萬的競爭者，這是非常需要的潛在解決方案。”
該研究得到了美國國家科學基金會的部分支持。
閱讀更多 孜然實驗室 的文章
