Eftersom den geriatriska befolkningen förväntas öka under det kommande decenniet, så kommer också antalet hjärtsjukdomar i USA. Efterfrågan på hjärtklaffproteser och andra hjärtapparater – en marknad som värderas till mer än 5 miljarder dollar idag – förutspås öka med nästan 13 procent under de kommande sex åren.

Klaffproteser är utformade för att efterlikna en verklig, frisk hjärtklaff som hjälper till att cirkulera blod genom kroppen. Dock, många av dem har problem som läckage runt ventilen, och ingenjörer som arbetar med att förbättra dessa konstruktioner måste testa dem upprepade gånger, först i enkla bänksimulatorer, sedan i djurämnen, innan man når mänskliga prövningar – en mödosam och dyr process.

Nu har ingenjörer vid MIT och på andra håll utvecklat ett bioniskt "hjärta" som erbjuder en mer realistisk modell för att testa konstgjorda klaffar och andra hjärtanordningar.

Enheten är ett riktigt biologiskt hjärta vars hårda muskelvävnad har ersatts med en mjuk robotmatris av konstgjorda hjärtmuskler, liknar bubbelplast. Orienteringen av de konstgjorda musklerna efterliknar mönstret av hjärtats naturliga muskelfibrer, på ett sådant sätt att när forskarna blåser upp bubblorna på distans, de verkar tillsammans för att klämma och vrida det inre hjärtat, på samma sätt som en verklig, hela hjärtat slår och pumpar blod.

Med denna nya design, som de kallar ett "biorobotiskt hybridhjärta, "Forskarna föreställer sig att enhetsdesigners och ingenjörer kan iterera och finjustera design snabbare genom att testa på biohybridhjärtat, avsevärt minska kostnaderna för utveckling av hjärtapparat.

"Regulatoriska tester av hjärtanordningar kräver många utmattningstester och djurtester, säger Ellen Roche, biträdande professor i maskinteknik vid MIT. "[Den nya enheten] skulle realistiskt kunna representera vad som händer i ett riktigt hjärta, för att minska mängden djurförsök eller upprepa designen snabbare."

Roche och hennes kollegor har publicerat sina resultat i tidskriften Vetenskapsrobotik . Hennes medförfattare är huvudförfattare och MIT-student Clara Park, tillsammans med Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas, och Xuanhe Zhao vid MIT, tillsammans med medarbetare från Nanyang Technology University, Royal College of Surgeons i Dublin, Bostons barnsjukhus, Harvard Medical School, och Massachusetts General Hospital (MGH).

"Hjärtats mekanik"

Innan du kom till MIT, Roche arbetade kort inom den biomedicinska industrin, hjälpa till att testa hjärtapparater på artificiella hjärtmodeller i labbet.

"Vid den tiden kände jag att ingen av dessa bänkuppsättningar var representativa för både anatomin och den fysiologiska biomekaniken i hjärtat, Roche påminner om. "Det fanns ett ouppfyllt behov när det gäller enhetstestning."

I separat forskning som en del av hennes doktorandarbete vid Harvard University, hon utvecklade en mjuk, robot, implanterbar hylsa, designad att svepa runt en helhet, leva hjärta, för att hjälpa den att pumpa blod hos patienter som lider av hjärtsvikt.

På MIT, hon och Park undrade om de kunde kombinera de två forskningsvägarna, att utveckla ett hybridhjärta:ett hjärta som delvis är gjort av kemiskt konserverade, explanterad hjärtvävnad och delvis av mjuka konstgjorda manöverdon som hjälper hjärtat att pumpa blod. En sådan modell, de föreslog, bör vara en mer realistisk och hållbar miljö för att testa hjärtenheter, jämfört med modeller som antingen är helt artificiella men som inte fångar hjärtats komplexa anatomi, eller är gjorda av ett riktigt explanterat hjärta, kräver mycket kontrollerade förhållanden för att hålla vävnaden vid liv.

Teamet övervägde kort att slå in en helhet, explanterat hjärta i en mjuk robotärm, liknande Roches tidigare arbete, men insåg hjärtats yttre muskelvävnad, hjärtmuskeln, stelnade snabbt när den togs bort från kroppen. Varje robotisk sammandragning av hylsan skulle inte kunna överföras tillräckligt till hjärtat inuti.

Istället, teamet letade efter sätt att designa en mjuk robotmatris för att ersätta hjärtats naturliga muskelvävnad, i både material och funktion. De bestämde sig för att prova sin idé först på hjärtats vänstra ventrikel, en av fyra kammare i hjärtat, som pumpar blod till resten av kroppen, medan höger kammare använder mindre kraft för att pumpa blod till lungorna.

"Den vänstra ventrikeln är den svårare att återskapa med tanke på dess högre driftstryck, och vi gillar att börja med de svåra utmaningarna, " säger Roche.

Hjärtat, vecklas ut

Hjärtat pumpar normalt blod genom att klämma och vrida, en komplex kombination av rörelser som är ett resultat av inriktningen av muskelfibrer längs det yttre myokardiet som täcker var och en av hjärtats ventriklar. Teamet planerade att tillverka en matris av konstgjorda muskler som liknar uppblåsbara bubblor, inriktad i den naturliga hjärtmuskelns orienteringar. Men att kopiera dessa mönster genom att studera en ventrikels tredimensionella geometri visade sig vara extremt utmanande.

De kom så småningom över teorin om spiralkammarmyokardband, tanken att hjärtmuskeln i huvudsak är ett stort spiralformat band som sveper runt var och en av hjärtats ventriklar. Denna teori är fortfarande föremål för debatt av vissa forskare, men Roche och hennes kollegor tog det som inspiration för sin design. Istället för att försöka kopiera vänster ventrikels muskelfiberorientering ur ett 3D-perspektiv, teamet bestämde sig för att ta bort ventrikelns yttre muskelvävnad och linda upp den för att bilda en lång, platt band – en geometri som borde vara mycket lättare att återskapa. I detta fall, de använde hjärtvävnaden från ett explanterat grishjärta.

I samarbete med huvudförfattaren Chris Nguyen på MGH, forskarna använde diffusionstensoravbildning, en avancerad teknik som vanligtvis spårar hur vatten strömmar genom vit substans i hjärnan, för att kartlägga de mikroskopiska fiberorienteringarna av en vänster kammars utrullade, tvådimensionellt muskelband. De tillverkade sedan en matris av konstgjorda muskelfibrer gjorda av tunna luftrör, var och en ansluten till en serie uppblåsbara fickor, eller bubblor, vars orientering de mönstrade efter de avbildade muskelfibrerna.

Den mjuka matrisen består av två lager silikon, med ett vattenlösligt lager mellan dem för att förhindra att lagren fastnar, samt två lager laserskuret papper, vilket säkerställer att bubblorna blåser upp i en specifik orientering.

Forskarna utvecklade också en ny typ av bioadhesiv för att limma bubbelplasten på ventrikelns verkliga, intrakardiell vävnad. Även om det finns lim för att binda biologiska vävnader till varandra, och och för material som silikon till varandra, teamet insåg att få mjuka lim gör ett tillräckligt jobb med att limma ihop biologisk vävnad med syntetiska material, speciellt silikon.

Så Roche samarbetade med Zhao, docent i maskinteknik vid MIT, som är specialiserad på att utveckla hydrogelbaserade lim. Det nya limmet, som heter TissueSil, gjordes genom att funktionalisera silikon i en kemisk tvärbindningsprocess, att binda med komponenter i hjärtvävnad. Resultatet blev en trögflytande vätska som forskarna borstade på den mjuka robotmatrisen. De borstade också limet på ett nytt explanterat grishjärta som fick sin vänstra kammare borttagen men dess endokardiella strukturer bevarade. När de lindade den konstgjorda muskelmatrisen runt denna vävnad, de två sammanfogade tätt.

Till sist, forskarna placerade hela hybridhjärtat i en form som de tidigare hade gjutit av originalet, helhjärtat, och fyllde formen med silikon för att omsluta hybridhjärtat i ett enhetligt hölje – ett steg som gav en form som liknade ett riktigt hjärta och såg till att robotbubbelplasten passade tätt runt den verkliga ventrikeln.

"På det sättet, du förlorar inte överföringen av rörelse från den syntetiska muskeln till den biologiska vävnaden, " säger Roche.

När forskarna pumpade in luft i bubbelplasten med frekvenser som liknade ett naturligt slående hjärta, och avbildade det bioniska hjärtats svar, det drog ihop sig på ett sätt som liknar hur ett riktigt hjärta rör sig för att pumpa blod genom kroppen.

I sista hand, forskarna hoppas kunna använda det bioniska hjärtat som en realistisk miljö för att hjälpa designers att testa hjärtanordningar såsom hjärtklaffproteser.

"Föreställ dig att en patient före implantation av hjärtapparat kan få sitt hjärta skannat, och sedan kunde läkare ställa in enheten för att fungera optimalt hos patienten i god tid före operationen, " säger Nyugen. "Också, med ytterligare vävnadsteknik, vi skulle potentiellt kunna se det biorobotiska hybridhjärtat användas som ett konstgjort hjärta – en mycket nödvändig potentiell lösning med tanke på den globala hjärtsviktepidemin där miljontals människor är utlämnade till en konkurrenskraftig lista över hjärttransplantationer."