老年人口は今後5年間で膨らむと予想されているため、米国の心臓病の発生率も急上昇します。 人工心臓弁やその他の心臓デバイス（今日、13億ドル以上と評価されている市場）の需要は、今後XNUMX年間で約XNUMX％増加すると予測されています。

人工弁は、血液が体を循環するのを助けるために、実際の健康な心臓弁を模倣するように設計されています。 ただし、それらの多くにはバルブ周辺の漏れなどの問題があり、これらの設計を改善しようとするエンジニアは、人間の試験に到達する前に、まず単純なベンチトップシミュレータで、次に動物被験者で繰り返しテストする必要があり、困難で費用のかかるプロセスです。

現在、MITなどのエンジニアは、人工弁やその他の心臓デバイスをテストするためのより現実的なモデルを提供するバイオニック「心臓」を開発しています。

このデバイスは本物の生物学的心臓であり、その強靭な筋肉組織は、プチプチに似た、人工心臓の筋肉の柔らかいロボットマトリックスに置き換えられています。 人工筋肉の向きは、心臓の自然な筋線維のパターンを模倣しており、研究者が遠隔で泡を膨らませると、実際の心臓全体が鼓動するのと同じように、一緒に作用して内側の心臓を圧迫してねじります血液を送り出します。

「バイオロボティックハイブリッドハート」と呼ばれるこの新しい設計により、研究者は、デバイス設計者とエンジニアがバイオハイブリッドハートでテストすることにより、設計をより迅速に反復および微調整し、心臓デバイス開発のコストを大幅に削減できると想定しています。

「心臓装置の規制試験には、多くの疲労試験と動物試験が必要です」とMITの機械工学の助教授であるEllen Rocheは言います。 「[新しいデバイス]は、動物の実験の量を減らしたり、設計をより迅速に反復したりするために、実際の心臓で起こることを現実的に表すことができます。」

ロシュと彼女の同僚は本日、ジャーナルで結果を発表しました 科学ロボティクス。 彼女の共著者は、Yiling Fan、Gregor Hager、Hyunwoo Yuk、Manisha Singh、Allison Rojas、およびMITのXuanhe Zhaoとともに、Nanyang Technology University、Royal College of Surgeonsの共同研究者とともに、筆頭著者およびMIT大学院生Clara Parkです。ダブリン、ボストンの小児病院、ハーバード医科大学、マサチューセッツ総合病院で。

磁気共鳴イメージング下のバイオロボットハイブリッド心臓の構造。 クレジット：Christopher T.Nguyen

「心のメカニズム」

MITに来る前は、ロシュはバイオメディカル業界で短時間働き、ラボで人工心臓モデルで心臓デバイスをテストするのを手伝いました。

「当時、私はこれらのベンチトップセットアップのどれもが心臓の解剖学と生理学的生体力学の両方を代表しているとは感じていませんでした」とRoche氏は振り返ります。 「デバイステストに関して満たされていないニーズがありました。」

ハーバード大学で博士号を取得した研究の一環として別の研究を行い、生きている心臓全体を包み込み、心不全に苦しむ患者の血液を送り出すように設計された、柔らかくロボット式の埋め込み型スリーブを開発しました。

MITで彼女とパークは、XNUMXつの研究手段を組み合わせてハイブリッド心臓を開発できるかどうか疑問に思いました：心臓は、化学的に保存され、外植された心臓組織と、心臓が血液を送り出すのを助ける柔らかい人工アクチュエーターで部分的に作られています。 彼らが提案したそのようなモデルは、完全に人工的であるが心臓の複雑な解剖学的構造を捉えない、または実際に外植された心臓から作られ、高度を必要とするモデルと比較して、心臓デバイスをテストするより現実的で耐久性のある環境である必要があります組織を維持するための管理された条件。

チームは、Rocheの以前の研究と同様に、外植した心臓全体を柔らかいロボットスリーブで包むことを簡単に検討しましたが、心臓の外筋組織である心筋が体から取り除かれるとすぐに硬化しました。 スリーブによるロボットの収縮は、内部の心臓に十分に変換できません。

代わりに、チームは、材料と機能の両方で、心臓の自然な筋肉組織に取って代わるソフトロボットマトリックスを設計する方法を探しました。 彼らはまず、心臓のXNUMXつのチャンバーのXNUMXつである心臓の左心室で自分のアイデアを試すことにしました。これは、体の他の部分に血液を送り出すのに対し、右心室は、肺に血液を送るために力をあまり使用しません。

「左心室は動作圧力が高いため、再現が難しいため、難しい課題から始めたいと思います」とRoche氏は言います。

広げられた心

心臓は通常、圧迫とねじれによって血液を送り出します。これは、心臓の各心室を覆う外側の心筋に沿った筋線維の整列の結果である動きの複雑な組み合わせです。 チームは、天然の心筋の向きに合わせて、膨張可能な気泡に似た人工筋肉のマトリックスを製造することを計画しました。 しかし、心室のXNUMX次元形状を研究してこれらのパターンをコピーすることは、非常に困難であることがわかりました。

彼らはやがて、らせん状の心室の心筋バンド理論に出くわしました。これは、心筋は本質的に心臓の各心室を包む大きならせん状のバンドであるという考えです。 この理論は依然として一部の研究者による議論の対象となっていますが、ロシュと彼女の同僚はそれを彼らの設計のインスピレーションとして捉えました。 チームは、3Dの視点から左心室の筋線維の方向をコピーする代わりに、心室の外側の筋肉組織を取り外し、それをほどいて、長くて平らな帯を作ることにしました。 この場合、彼らは外植されたブタの心臓からの心臓組織を使用しました。

MGHの共同主執筆者であるChris Nguyenと共同で、研究者は、拡散テンソルイメージングを使用しました。拡散テンソルイメージングは​​、通常、脳の白質を流れる水を追跡し、左心室の広げられたXNUMX次元の微視的な繊維の向きをマッピングする高度な手法です。筋肉バンド。 次に、薄い空気管から作られた人工筋繊維のマトリックスを作製しました。それぞれが一連のインフレータブルポケットまたは気泡に接続されており、画像化された筋繊維の後にその向きがパターン化されています。

バイオロボットハイブリッド心臓の運動は、心エコー検査下で心臓のポンプ運動を模倣します。 クレジット：Mossab Saeed

ソフトマトリックスは、XNUMXつの層のシリコーンで構成され、間に層がくっつくのを防ぐために水溶性の層と、気泡が特定の方向に確実に膨張するXNUMX層のレーザーカット紙で構成されています。

研究者たちはまた、バブルラップを心室の実際の心臓内組織に接着するための新しいタイプの生体接着剤を開発しました。 生体組織を相互に接着するため、およびシリコーンなどの材料を相互に接着するための接着剤が存在しますが、チームは、生体組織を合成材料、特にシリコーンと接着するのに適切な仕事をする柔らかい接着剤はほとんどないことに気付きました。

そこで、Rocheは、ハイドロゲルベースの接着剤の開発を専門とするMITの機械工学の准教授であるZhaoと協力しました。 TissueSilという名前の新しい接着剤は、化学的架橋プロセスでシリコーンを官能基化して、心臓組織のコンポーネントと結合することで作成されました。 その結果、研究者たちは柔らかいロボットマトリックスにブラシで塗った粘性液体を作りました。 彼らはまた、左心室を取り除いたが、心内膜の構造は維持した新しい外植したブタの心臓に接着剤を塗りました。 彼らがこの組織の周りに人工筋肉マトリックスを包んだとき、XNUMX人はしっかりと結合しました。

最後に、研究者はハイブリッドハート全体を元の元のハート全体をキャストしたモールドに入れ、モールドをシリコンで満たし、ハイブリッドハートを均一なカバーで覆いました。心臓とロボットのバブルラップが実際の心室の周りにぴったりとフィットすることを確認しました。

「それにより、合成筋肉から生体組織への運動伝達が失われることはありません」とロシュは言います。

研究者が自然に鼓動している心臓に似た周波数で気泡ラップに空気を送り込み、生体の心臓の反応を画像化すると、実際の心臓が体を通して血液を送り出すように動くのと同じように収縮しました。

最終的に、研究者たちは、生体心臓を現実的な環境として使用して、設計者が人工心臓弁などの心臓デバイスをテストできるようにしたいと考えています。

「心臓デバイスを埋め込む前の患者が心臓をスキャンし、臨床医が手術前に患者に最適に機能するようにデバイスを調整できると想像してください」とNyugen氏は述べています。 「また、さらなる組織工学により、バイオロボットハイブリッド心臓を人工心臓として使用できる可能性があります。何百万もの人々が競合する心臓移植リストに翻弄されている世界的な心不全の流行を考えると、非常に必要な潜在的なソリューションです。」

この研究は、国立科学財団によって部分的にサポートされていました。