未來十年內，隨著老年人口數目的激增，美國心臟病發病率或將大幅上升。對人工心臟瓣膜和其他心臟設備的需求預計在未來 6 年內將增長近 13%，目前，心臟相關設備的市場規模已經超過 50 億美元。
人工瓣膜的設計旨在模仿真實健康的心臟瓣膜，幫助血液在體內循環，但是，很多人工瓣膜都存在瓣膜洩露等問題，要努力改進這些設計，工程師必須反覆對其進行測試，先是簡單的臺式模擬，然後是動物實驗，最後是人體試驗——這一過程既艱鉅，成本又高。
現在，來自 MIT 和其他地方的工程師開發出了一種仿生“心臟”，為測試人工瓣膜和其他心臟設備提供了更真實的模型。
這是一個真正的生物心臟，其堅硬的肌肉組織已被柔軟的人造心肌基體代替，類似於氣泡膜包裝。人造肌肉的方向模仿了心臟的天然肌纖維形態，這樣一來，研究人員在遠程充氣時，它們共同作用擠壓和扭曲心臟內部，和真實的整個心臟的跳動方式和循環血液一樣。
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在生物混合心臟上進行測試來更快地迭代和微調設計，從而顯著降低心臟設備開發的成本。
MIT 機械工程助理教授艾倫 · 羅奇表示：“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。新設計可以真實再現真正的心臟活動，從而減少動物測試的數量或者更快地迭代設計。”
羅奇和同事已經在《科學機器人》雜誌上發表了他們的研究結果。該研究的作者包括MIT研究生克拉拉 · 帕克，MIT 學生範依鈴（音譯）、格雷戈爾 · 海格、於賢宇、曼尼莎 · 辛格、艾莉森 · 羅哈斯和趙煊赫（音譯），還有來自新加坡南洋理工大學、都柏林皇家外科學院、波士頓兒童醫院、哈佛醫學院和馬薩諸塞州總醫院的工作者。
圖 | 磁共振成像下仿生心臟的結構。（來源：克里斯多夫·T·阮）
“仿生心臟的技術性細節”
進入 MIT 之前，羅奇曾在生物醫學行業工作過一小段時間，在實驗室幫助在人造心臟模型上測試心臟設備。
羅奇回憶道：“當時我並不認為這些臺式裝置呈現的就是心臟的解剖結構和生理生物力學，在設備測試方面並沒有滿足需要”。
作為在哈佛大學博士工作的一部分，她在獨立研究中開發了一種柔軟的、機械可植入的軟體套管，用來包裹完整的活體心臟，幫助它為心力衰竭患者輸送血液。
在 MIT 期間，她和帕克想知道他們能否將這兩種研究方法結合起來，開發出一種混合型心臟：其中一部分是用化學方法保存的外植的心臟組織，另一部分是幫助心臟輸送血液的柔軟的人工緻動器。他們提出，一些模型完全由人工製造，但是不能觀察到心臟複雜的解剖結構，一些是由真正的移植心臟製成，需要嚴格控制環境才能保持組織存活，與這些相比，這一模型應該是更真實且更持久的環境，因此能進行心臟設備的測試。
該團隊曾考慮過用柔軟的機械套管包裹完整的移植心臟，這和羅奇之前的工作類似。但他們意識到，心臟的外層肌肉組織（即心肌）從體內取出後很快就會變硬，套管的任何機械收縮都不能充分傳遞到心臟內部。
相反，研究小組設法設計了一種柔軟的人造基體，從而在材料和功能上代替心臟的自然肌肉組織。他們決定首先在心臟的左心室試驗該想法，左心室是心臟的四個腔室之一，它將血液輸送到身體的其他部分，右心室則將血液輸送到肺部，能量損耗較小。
羅奇表示：“左心室工作時壓力較大，重建難度高，不過我們想要先從難的部分開始。”
舒展開的仿生心臟
正常情況下，心臟通過擠壓和扭轉來輸送血液，這是一種複雜的複合運動，是由覆蓋每個心室的心肌外層的肌纖維排列所導致的。該團隊計劃製造一個類似於充氣泡沫的人造肌肉基體，並以自然心肌的方向排列。但結果證明，通過研究心室的三維幾何結構來複制這些模式是極具挑戰性的。
他們最終發現了螺旋形心室心肌帶理論。該理論認為，心肌本質上是一個巨大的螺旋帶，包裹著每個心室。這一理論一直都是某些研究人員的爭論對象，但羅奇和同事將其作為設計靈感。研究小組沒有試圖從 3D 角度複製左心室的肌纖維方向，而是決定移除心室的外層肌肉組織，將其舒展開，形成一條長長的平帶——這種幾何結構更容易重建。這一過程中，他們使用的是豬的外植心臟組織。
在與馬薩諸塞州總醫院（MGH）的共同作者克里斯 · 阮的合作中，研究人員使用先進的彌散張量成像技術來繪製左心室展開的二維肌肉帶的微觀纖維方向，這通常可以追蹤水在腦白質中的流動。然後，他們製作了一個人造肌肉纖維基體，這些人造肌肉纖維由細的呼吸管制成，每根呼吸管連接著一系列可充氣的氣泡，它們根據成像的肌肉纖維來確定方向。
圖 | 超聲心動圖下，仿生心臟的運動模擬心臟的血液輸送。（來自：摩薩布 · 賽義德）
柔軟的基體由兩層硅樹脂和兩層激光切割的紙組成，兩層硅樹脂之間有一層水溶性物質以防止粘住，兩層激光切割紙可以確保在特定的方向給氣泡充氣。
研究人員還開發了一種新型生物粘著劑，可以將氣泡膜粘在心室的真正的心內組織上。雖然粘接劑是為了生物組織之間以及像硅樹脂等材料之間的粘合，但研究團隊意識到，幾乎沒有一種軟性粘接劑能夠將生物組織與合成材料充分粘合在一起，尤其是硅樹脂。
因此，羅奇與 MIT 機械工程的趙副教授合作，後者專門開發水凝膠基粘合劑。這種名為 TissueSil 的新型粘合劑是通過化學交聯的方法使硅樹脂功能化，從而與心臟組織中的成分相結合。最終形成一種粘性液體，研究人員將其刷到柔軟的機械基體上，他們還把這種粘合劑刷到新的外植的豬心臟上，其左心室已經被切除，但保留了心內膜結構。當他們用人造肌肉基體包裹在這一組織時，兩者緊密地粘合在了一起。
研究人員之後將整個合成心臟放在之前存放完整原始心臟的模具裡，並用硅膠填充模具，從而均勻地覆蓋合成心臟——這一步可形成和真實心臟相似的形態，並確保機械基體緊密包裹著活體心室。
羅奇表示：“這樣一來就可以實現從人造肌肉到生物組織的運動傳遞”。
當研究人員以類似自然心臟跳動的頻率向氣泡膜中泵入空氣，並對仿生心臟的反應進行成像時，它的收縮方式與真實心臟移動並向全身輸送血液的方式類似。
最後，研究人員希望利用仿生心臟作為真實環境來幫助設計者測試心臟裝置，如人工心臟瓣膜。
阮表示：“想象一下，病人在心臟設備植入之前可以進行心臟掃描，然後臨床醫生可以調整設備，使其在手術之前就能在病人身上發揮最佳效果。此外，隨著組織工程的進一步發展，我們可能會看到生物機器混合心臟被用作人造心臟——鑑於全球各地普遍存在心力衰竭，數百萬人競爭心臟移植的名額，這是一個非常有必要的潛在解決方案。”
這項研究部分由美國國家科學基金會資助。
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