用于测试假体瓣膜的仿生“心脏”

柔软机器人执行器的合成矩阵的特写镜头可以缠绕在脑室周围并充气，以挤压并扭曲心脏，以与真正的心脏泵血相同。

资料来源:研究人员提供。

随着老年人口预计将在未来十年激增，美国的心脏病发病率也将激增。对假肢的需求心阀门而其他心脏设备——这个市场目前价值超过50亿美元——预计在未来6年将增长近13%。

人工瓣膜的设计是为了模仿真实的、健康的心脏瓣膜，以帮助血液在全身循环。然而，其中很多都存在阀门周围泄漏等问题，而致力于改进这些设计的工程师必须反复测试它们，首先在简单的台式模拟器上，然后在动物身上，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了一种仿生“心脏”为测试人造瓣膜和其他心脏装置提供了一个更现实的模型。

该装置是真正的生物心脏，其坚韧的肌肉组织已被人造心肌肌肉的软机械组织更换，类似于泡沫包装。The orientation of the artificial muscles mimics the pattern of the heart’s natural muscle fibers, in such a way that when the researchers remotely inflate the bubbles, they act together to squeeze and twist the inner heart, similar to the way a real, whole heart beats and pumps blood.

有了这种被他们称为“生物机器人混合心脏”的新设计，研究人员预想，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，从而显著降低心脏设备开发的成本。麻省理工学院(MIT)机械工程助理教授艾伦•罗奇(Ellen Roche)表示:“心脏设备的监管测试需要许多疲劳测试和动物测试。”“(新设备)可以真实地再现真实心脏中的情况，从而减少动物试验的数量，或更快地迭代设计。”

《心脏机制》

在来麻省理工学院之前，罗氏曾在生物医学行业短暂工作过，在实验室的人工心脏模型上帮助测试心脏设备。罗氏回忆说:“当时，我觉得这些台式设备都不能代表心脏的解剖学和生理生物力学。”“设备测试方面的需求尚未得到满足。”

在她在哈佛大学(Harvard University)攻读博士学位期间的另一项研究中，她开发了一种柔软的、可植入的机器人套筒，用来包裹整个活的心脏，帮助心脏衰竭患者泵血。

在麻省理工学院，她和Park想知道他们是否可以将这两种研究方法结合起来，开发出一种混合心脏:一种心脏部分由化学保存的、移植的心脏组织组成，部分由帮助心脏泵血的软人工驱动器组成。这样一个模型,他们提出,应该是一个更现实的和持久的环境中测试心脏设备,相比之下,要么完全人工模型,但不要捕捉复杂的解剖结构,或者是由一个真正的心脏移植,要求严格控制的条件下保持组织活力。

该团队简要考虑了一个柔软的机器人袖子包装了一个整体，外在的心脏，类似于罗氏的先前工作，但实现了心脏的外部肌肉组织，心肌，当从身体中取出时快速加强。套筒的任何机器人收缩都无法充分平移到内心的心脏。

相反，该团队寻求设计一种软机器人矩阵的方法，在材料和功能上替代心脏的天然肌肉组织。他们决定先在心脏的左心室上试验他们的想法。左心室是心脏四个腔中的一个，负责将血液输送到身体的其他部位，而右心室用较少的力量将血液输送到肺部。罗氏说:“由于左心室的操作压力较大，所以很难重建，我们喜欢从困难的挑战开始。”

心脏,展开

保存心肌(1)被移除和替换用软合成矩阵(2)。这两个结构(内心脏组织和合成矩阵)(3)使用新开发的胶粘剂,保税TissueSil(4)。由此产生的部分是包含保存心脏内的结构和合成的合成心脏心肌(5)。

来源:克拉拉公园

心脏通常通过挤压和扭动泵出血液，这是一种复杂的运动组合，是覆盖每个心室的外心肌肌纤维排列的结果。该团队计划制造一种类似于充气气泡的人造肌肉矩阵，按照天然心肌的方向排列。但事实证明，通过研究心室的三维几何形状来复制这些图案是极具挑战性的。

他们最终遇到了螺旋心室心肌乐队理论，心肌基本上是一个大螺旋带，围绕着每种心脏的心室包裹。这一理论仍然是一些研究人员辩论的主题，但罗氏和她的同事将其作为设计的灵感。该团队决定从3D角度来复制左心室的肌肉纤维方向，而不是试图从3D角度复制左心室的肌肉纤维方向，并将其拆开脑部外部肌肉组织并形成长而平的带 - 一个应该更容易重新创建的几何形状。在这种情况下，它们使用来自脱盐的猪心脏的心脏组织。

在与MGH的共同作者Chris Nguyen的合作中，研究人员使用弥散张量成像技术，这是一种先进的技术，通常跟踪水在大脑白质中的流动，以绘制左心室展开的二维肌带的微观纤维方向。然后，他们制作了一种由细气管制成的人造肌肉纤维矩阵，每一根管子都连接到一系列可充气的口袋或气泡上，他们模仿肌肉纤维的成像方向。

软质矩阵由两层硅树脂组成，在它们之间具有水溶层，以防止层粘附，以及两层激光切割纸，这确保了气泡以特定的取向膨胀。

研究人员还开发了一种新型生物粘合剂，可以将气泡膜粘在心室真正的心内组织上。虽然粘接剂的存在是为了将生物组织粘合在一起，也为了将像硅酮这样的材料粘合在一起，但研究小组意识到，很少有软粘接剂能将生物组织与合成材料，尤其是硅酮粘合在一起。

因此，罗氏与麻省理工学院机械工程副教授赵先生合作，赵先生专门从事研发水凝胶-粘合剂。这种名为“TissueSil”的新型粘合剂是通过化学交联过程将硅酮功能化制成的，以与心脏组织中的成分结合。结果是一种粘性液体，研究人员刷在软机器人矩阵上。他们还将这种胶水刷在一颗新移植的猪心脏上，这颗心脏的左心室被移除，但心内膜结构保留了下来。当他们将人造肌肉基质包裹在这个组织周围时，两者紧密结合。

最后，研究人员将整个混合心脏放入模具中，它们先前铸造了原始的，全心全，并用硅树脂填充模具，以将杂种心脏包装在均匀的覆盖物中 - 一种产生类似于真实形式的步骤心脏并确保机器人泡沫包裹贴在真正的心室周围。“那样，你不会失去从合成肌肉到生物组织的运动的传播，”罗氏说。

当研究人员以类似于自然跳动的心脏的频率将空气注入气泡膜，并对仿生心脏的反应进行成像时，它的收缩方式与真正的心脏向全身输送血液的方式类似。

最终，研究人员希望能够使用仿生心作为现实环境，以帮助设计人员测试诸如假肢心脏瓣膜的心脏装置。“想象一下，在心脏病装置植入前的患者可以扫描他们的心脏，然后临床医生可以调整设备在手术前良好地在患者上最佳地进行，”Nyugen说。“此外，通过进一步的组织工程，我们可能会看到生物毒性混合心脏被用作人造心脏 - 一个非常需要的潜在解决方案，鉴于全球心力衰竭流行病，其中数百万人处于竞争性心脏移植名单的怜悯。”