由心脏组织和机器泵送系统制成的装置像真实事物一样跳动。
朱珍妮| 麻省理工学院新闻办公室
预计在未来十年中，老年人口将激增，心脏病发病率也将上升。人工心脏瓣膜和其他心脏设备的需求（今天这个市场价值超过50亿美元）预计在未来六年中将增长近13％。
人工瓣膜旨在模仿真实、健康的心脏瓣膜，以帮助血液在体内循环。但是，它们中的许多问题都存在诸如瓣膜周围泄漏的问题，而致力于改进这些设计的工程师必须反复进行测试，首先要在简单的台式模拟器中进行测试，然后再在动物受试者中进行测试，然后再进行人体试验，这是一个艰巨而昂贵的过程。
现在，麻省理工学院和其他地方的工程师已经开发出了仿生“心脏”，它为测试人工瓣膜和其他心脏设备提供了更为现实的模型。
该设备是真正的生物心脏，其坚硬的肌肉组织已被柔软的人造机器矩阵心脏肌肉的所替代，类似于泡沫包装垫。人造肌肉的方向模仿了心脏的天然肌纤维的形态，以至于当研究人员远程膨胀气泡时，它们共同作用来挤压和扭曲内部的心脏组织，就像真实的整个心脏跳动并泵出血液的方式一样。
通过这种被称为“生物机器混合心脏”的新设计，研究人员设想设备设计师和工程师可以通过对生物混合心脏进行测试来更快地迭代和微调设计，从而显着降低了心脏设备开发的成本。
麻省理工学院机械工程学助理教授艾伦·罗奇（Ellen Roche）说：“对心脏设备进行监管测试需要进行许多疲劳测试和动物测试。新设备可以真实地代表真实心脏中发生的事情，以减少动物测试的数量或更快地迭代设计。”
罗奇和她的同事今天在《科学机器人》杂志上发表了他们的研究结果。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，以及南洋理工大学、皇家外科医生学院、波士顿儿童医院、哈佛医学院和马萨诸塞州综合医院的合作者。
磁共振成像下生物机器人混合心脏的结构。信用：Christopher T. Nguyen
心脏运行机制
在加入麻省理工学院之前，罗奇曾在生物医学行业短暂工作过，帮助在实验室中的人工心脏模型上测试心脏设备。
“当时我还没有感觉到这些台式机可以代表心脏的解剖结构和生理生物力学，” 罗奇回忆道。“在设备测试方面存在无法满足的需求。”
在哈佛大学从事博士工作的另一项研究中，她开发了一种柔软的，可植入的机器人套，旨在包裹整个活着的心脏，以帮助患有心力衰竭的患者输送血液。
在麻省理工学院，她和帕克想知道他们是否可以结合这两种研究途径来开发混合心脏：这种心脏部分由化学保存、植入的心脏组织制成，部分由有助于心脏泵血的柔软人工驱动器组成。她们提出，与完全人造的但不具有心脏复杂解剖结构的模型，或者是由真正的离体心脏制成的模型相比，这种模型应该是一个更现实、更持久的方案，可以在其中测试心脏设备控制条件以保持组织存活。
研究小组曾考虑用柔软的机械外套将整个心脏包裹起来，这与罗奇以前的工作类似，但是意识到心脏的外部肌肉组织（心肌）在从体内取出后会迅速变硬。套筒引起的任何机器人收缩都无法充分地将其转化为心脏跳动。
取而代之的是，该团队寻求设计软机器矩阵的方法，以取代心脏的天然肌肉组织，无论是材料还是功能。他们决定首先在心脏的左心室（心脏的四个腔室之一）中尝试他们的想法，该心室将血液泵送到身体的其余部分，而右心室则使用较少的力将血液泵到肺部。
罗奇说：“鉴于较高的操作压力，左心室较难重建，我们希望从艰巨的挑战中入手。”
展开心脏
心脏通常通过挤压和扭曲来泵送血液，这是复杂的运动组合，这是由于沿着覆盖每个心脏心室的外部心肌排列的肌肉纤维对齐的结果。研究小组计划制造出类似于可充气气泡的人造肌肉矩阵，并沿天然心肌的方向排列。但是，通过研究心室的三维几何形状来复制这些模式非常困难。
她们最终遇到了螺旋心室心肌带理论，即心肌本质上是一条缠绕在每个心室周围的大螺旋带。该理论仍然是一些研究人员争论的话题，但是罗奇和她的同事们将其作为设计灵感。该团队决定不尝试从3D角度复制左心室的肌肉纤维方向，而是决定移除心室的外部肌肉组织并展开以形成一条长而平坦的带子-这种几何形状应该更容易重建。在这种情况下，他们使用了猪的心脏组织。
与马萨诸塞州综合医院的共同第一作者克里斯·阮（Chris Nguyen）合作，研究人员使用了扩散张量成像技术，该技术通常跟踪水如何流过大脑中的白质，以绘制左心室未弯曲的二维肌纤维的微观方向。然后，他们制作了由细空气管制成的人造肌纤维基质，每根气管都连接到一系列可充气的口袋或气泡上，它们的方向在排布根据成像的肌肉纤维来确定。
生物机械混合心脏的运动模仿了超声心动图下心脏的泵送运动。图片：Mossab Saeed
软矩阵由两层有机硅组成，两层有机硅之间有一层水溶性层（可防止两层粘在一起），以及两层激光切割纸，可确保气泡按特定方向膨胀。
研究人员还开发了一种新型的生物粘合剂，可将气泡材料粘合到心室的真实心内组织上。尽管存在用于将生物组织彼此粘合以及将有机硅等材料粘合的粘合剂，但研究小组意识到，很少有软粘合剂能够很好地将生物组织与合成材料（尤其是有机硅）粘合在一起。
因此，罗奇与麻省理工学院机械工程副教授赵（Zhao）合作，他专门研究水凝胶基胶粘剂。这种新的名为TissueSil的粘合剂是通过在化学交联过程中对有机硅进行功能化而制成的，从而与心脏组织中的成分粘合在一起。最终他们得到一种粘性液体，研究人员将其刷到了柔软的机械矩阵上。他们还将胶水刷到了一个新的离体猪心脏上，该猪心脏的左心室被去除了，但其心内膜结构得以保留。当他们将人造肌肉包裹在该组织周围时，两者紧密结合。
最终，研究人员将整个混合心脏放入以前铸造的完整的原始心脏的模具中，并用硅树脂填充该模具，以将混合心脏包裹在均匀的覆盖物中，并确保机械气泡紧贴真实的心室，这一步骤产生的形状类似于真实的心脏。
罗奇说：“这样一来，您就不会失去从合成肌到生物组织的运动传递。”
当研究人员以类似于自然跳动的心脏的频率将空气泵入气泡中，并对仿生心脏的反应进行成像时，它的收缩方式类似于真实心脏泵送血液的方式。
最终，研究人员希望将仿生心脏用作现实环境，以帮助设计人员测试人造心脏瓣膜等心脏设备。
“想象一下，在植入心脏设备之前可以对患者的心脏进行扫描，然后临床医生可以在手术前对设备进行调整以使其在患者体内达到最佳性能，” 阮说。“此外，通过进一步的组织工程，我们有可能看到将生物机器混合心脏用作人造心脏-考虑到全球性心力衰竭流行病的成千上万的竞争者，这是非常需要的潜在解决方案。”
该研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。
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