画期的なソフトロボット心臓は、末期心不全の治療を変換し、これまで以上に機能的で生体適合性のある人工臓器に近づけます。
勉強： ソフトロボット総人工ハイブリッドハート。画像クレジット：Africa Studio/Shutterstock.com
背景
末期心不全は、高い死亡率に関連しています。この状態は、心臓移植を通じて治療可能です。ただし、ドナーハートの利用不能が主な欠点です。この制限により、人工心臓と左心室補助装置の開発が発生しました。
現在入手可能な心臓装置を外部ソースに電力を供給して接続するために必要な経皮的ドライブラインは、感染リスクが高いことを示し、患者の生活の質に大きな影響を与えます。これらの合併症は、現在利用可能な人工心臓の臨床的使用を大部分に制限しています。
現在の研究では、研究者はハイブリッドの総人工心臓を開発しました。これにより、ポンピングパワーはソフトロボット工学から生理学的に推進します。彼らはデバイスを「ハイブリッドハート」と名付けました。
ハイブリッドハート – デザインと作業原則
研究者は、この新世代の総人工心臓を、デバイスが人間の心の構造と機能を模倣する必要があるという考えで設計しました。人間の心臓には2つのチャンバー、左心室と右心室があり、中隔（分割壁）によって分離されています。心室と中隔の同期収縮は、循環に心室から血液が排出されます。
人間の心臓と同様に、ハイブリッド心臓には、柔らかい空気圧筋（中隔）によって分離された2つの人工チャンバーが含まれています。心室と中隔は、熱可塑性ポリウレタンでコーティングされたナイロンで構成されています。特に、この設計には、閉ループに配置された複数の非拡張不可能なワイヤも含まれています。これは、両方の心室に力を分布させることにより、心臓の調整された収縮を模倣する上で重要な役割を果たします。
生体適合性を高めるために、熱可塑性ポリウレタンコーティングナイロン材料に超分子コーティングが適用されます。
正または負の空気圧は、中隔の膨張と収縮に使用されます。中隔が収縮期に膨張すると、その内径が増加し、より多くのワイヤーを巻き付けます。これは、自然な心臓のように血液を排出するために心室を絞ります。中隔が拡張期間中に収縮すると、心室は受動的に補充されます。
各心室の周りの特定の長さとワイヤの数を調整して、各チャンバーの心拍出量を変化させ、さまざまな生理学的状態または疾患の要件に適応できるようにします。この調整可能性は、肺高血圧症の場合など、デバイスを個々の患者のニーズに合わせるために重要です。
ソフトロボット作動メカニズムは、ハイブリッドハートの中隔に必要な圧力プロファイルを提供します。作動メカニズムは、制御信号をシステム内の物理的アクションに変換します。このソフトロボット作動メカニズムは、ハートビートを生成するための電子機器に依存しません。代わりに、それは連続したエアポンプの一定の流れを圧力パルスに自律的かつ受動的に変換し、ハイブリッド心臓の心拍を作り出します。
ただし、システム全体には、特に将来の完全に埋め込み可能なバージョンでは、電力と制御用の電子コンポーネントも含まれています。
機能検証
生理学的条件下でのハイブリッド心臓の実験室での検査により、この装置は人間の心臓のポンピング生理学を模倣し、その左心室が1分あたり60ビートの心拍数で5.7リットルの血液（心拍出量）をポンピングできることが明らかになりました。左心室の心拍出量は右心室よりも高くなければならないため、右心室の長さを調整することにより、デバイスの右心室の心拍出量は毎分5リットルに設定されました。
ハイブリッド心臓は、心膜空間にデバイスを外科的に植え付けることにより、動物でさらにテストされました。このデバイスは、50分間のテスト期間中にすべての動物の血流を担当しました。
動物実験は短期的な実験であり、長期のインプラントではなく、デバイスの機能の初期概念の証明を提供します 無駄に。
しかし、急性動物試験では、心拍出量はより低かった in vitro （65 bpmで1分あたり約2.3リットル）、デバイスの初期段階、概念実証の性質、および予想される技術的制限を反映しています。
調査結果は、ハイブリッド心臓で使用される熱可塑性ポリウレタンコーティングナイロン材料が非毒性であり、生体適合性の改善を示し、その超分子コーティングのために強力な抗血栓生成特性を持っていることを明らかにしました。
動物と in vitro テストでは、非誘発材料と比較して血小板の接着と血栓症の有意な減少が示され、長期の血液互換性の可能性をサポートしました。
実験室および動物実験では、ハイブリッド心臓の作動に開かれた空気圧系が使用されました。ただし、将来の臨床使用のために、完全に埋め込み型の閉じた流体駆動システムが開発されました。このシステムは、埋め込まれた連続フローエアポンプ、空気容器、および閉じた循環ループで中隔に接続されたソフトロボット作動システムで構成されていました。
閉じた流体システムは、ポンプにワイヤレスに電気エネルギーを提供するために、経カタネーエネルギー移動システム（TET）に統合されました。患者の皮膚に置かれた外部のテットコイルは、皮膚をそのまま残しながら、皮下に埋め込まれた内部TETコイルに電力を伝達しました。
このアプローチは、感染のリスクを潜在的に減らし、患者が一時的に電源から離れ、シャワーや自由に泳ぐなどの活動に従事できるようにすることにより、患者の生活の質を高めることができます。
この閉じた液体システムのテストにより、連続フローエアポンプに動力を供給すると、ハイブリッド心臓が自動的に35 bpmの心拍数で鼓動し始め、従来の駆動システムによって生成されるものと比較して比較的低い心拍出量を生成することが明らかになりました。
この制限は、テクノロジーの基本的な障壁ではなかった最初の実験で、TETシステムから利用可能な力に起因していました。この研究は、入力エネルギーを増やすと心拍出量が改善されるはずであり、研究者は現在これに取り組んでいると指摘しました。
さらに、ハイブリッド心臓は適応的な生理学的特性を示しました。プリロードおよびアフターロード感度は、ハイブリッド心臓が自然な心臓のように、血圧や量の変化に応じて出力を調整できることを意味します。これは受動的に達成され、フランクスターリングメカニズムを模倣します。これにより、複雑なセンサーや電子機器を必要とせずに充填の増加に応じて、心臓が生産を増加させます。
この設計により、個々の患者のニーズを満たすように調整されたワイヤーの長さと位置の変更など、デバイスの個々の構成も可能になります。
概念の証明は有望ですが、作業はまだ初期段階にあります。このデバイスは、医療グレードのコンポーネントではなくプロトタイピング材料に基づいて構築されており、技術の安全性、耐久性、およびパフォーマンスを完全に検証するために、さらに長期的な動物研究が必要です。
臨床用途の前に、完全に埋め込み型バージョンや組織工学コーティングを含むすべての主要なコンポーネントには、長期動物研究を含む広範なさらなるテストが必要になります。
意義
この研究は、ソフトロボット技術が生理学的条件下で適切な心臓出力を提供できる生体適合性総人工心臓を成功裏に開発できるという最初の証拠を提供します。
この研究で開発されたハイブリッド心臓は、現在利用可能な人工心臓全体の欠点を克服することができ、抗血栓形成表面と組織統合のサポートの両方を潜在的に提供する可能性があります。
将来的には、たとえば、身体の細胞がデバイスに植民地化し、機能的な内層を形成することを積極的に奨励する分子を組み込むことにより、コーティング技術をさらに開発することができます。血液凝固を減らし、体の組織統合をサポートするこの二重アプローチは、生涯にわたる抗凝固療法の必要性を減らすことができます。
ハイブリッド心臓はまだ臨床使用の準備ができておらず、さらに徹底的なテストと最適化が必要になりますが、ソフトロボット工学と生体模倣エンジニアリングが、末期心不全のためにより安全で機能的で、より適応性のある人工心臓をどのように提供できるかを示しています。
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#画期的なソフトロボット工学は人工心臓技術を再定義することができます
2025-06-06 01:37:00