O nouă inimă robotică moale reproduce cu precizie mișcările complexe ale valvei umane
Cercetătorii de la UNSW Sydney au dezvoltat o inimă robotică moale, complet sintetică, care reproduce mișcările complexe și structurile interne ale inimii umane, deschizând calea pentru tratamente mai bune, dispozitive medicale mai sigure și o îngrijire mai personalizată.
Publicată în revistele Nature Communications și Advanced Science, cercetarea introduce un model bătător al părții stângi a inimii care include valve artificiale, mușchi papilari și chordae tendineae – structuri esențiale pentru funcția sănătoasă a inimii și adesea afectate de boli.
Dispozitivul este capabil să reproducă cu acuratețe procesul dintr-o inimă reală în care valvele cardiace prezintă scurgeri, iar sângele curge înapoi, ceea ce crește riscul de insuficiență cardiacă și alte complicații amenințătoare de viață.
În acest fel, echipa de cercetare susține că noul robot moale ar putea ajuta în cele din urmă la o mai bună înțelegere a afecțiunilor cardiace, la reducerea dependenței de testele pe animale și la furnizarea de modele specifice pacienților pentru a planifica tratamentele înainte de a fi efectuate procedurile.
Coordonatorul echipei, Thanh Nho Do, de la Școala de Inginerie Biomedică a UNSW și Laboratorul de Robotică Medicală UNSW, afirmă că acest demers este important deoarece bolile cardiovasculare rămân principala cauză de deces la nivel mondial.
Insuficiența cardiacă cu fracție de ejecție păstrată (HFpEF) este o afecțiune cardiacă complexă care apare adesea alături de alte probleme de sănătate, precum hipertensiunea arterială, bătăile neregulate ale inimii, boala renală, obezitatea și diabetul.
„Pentru că afectează oamenii în moduri diferite, dezvoltarea dispozitivelor medicale pentru a îmbunătăți funcția cardiacă este o provocare. Valvele din inimă sunt, de asemenea, cruciale pentru eficiența cardiacă, dar boala poate cauza scurgeri sau rigiditate. Acest lucru poate crește volumul de muncă al inimii și poate contribui la insuficiența cardiacă”, a declarat Do.
„Obiectivul nostru mai amplu este de a construi modele realiste de inimă artificială care să ajute cercetătorii să înțeleagă bolile și să dezvolte dispozitive mai sigure și mai eficiente înainte de a fi testate pe animale sau de a ajunge la pacienți.”
Modelul dezvoltat la UNSW este o replică moale și flexibilă a părții stângi a inimii. Membranele din silicon formează camerele interne, iar mușchii artificiali robotici, moi, înfășurați în jurul structurii, reproduc modul în care inima se contractă și se răsucește natural.
Spre deosebire de modelele tradiționale de laborator, inima robotică moale conține structurile responsabile pentru controlul valvei mitrale, care în realitate acționează ca o pereche de uși care se deschid și se închid cu fiecare bătaie a inimii pentru a permite fluxul de sânge oxigenat către corp, prevenind în același timp scurgerile pe retrograd.
Includerea acestei caracteristici fiziologice specifice a inimii în model va permite cercetătorilor să reproducă boli în care valva scurge sângele și acesta începe să curgă înapoi.
„Modelul este realizat din materiale flexibile și este alimentat de mușchi artificiali care sunt aranjați pentru a mimica arhitectura musculară stratificată a inimii umane”, a declarat James Davies, postdoctorand în grupul lui Do.
„Am găsit o modalitate de a modela această arhitectură a fibrelor musculare folosind fibre artificiale de mușchi robotic moale. Acestea sunt alimentate de presiune hidraulică pe care o controlăm pentru a face modelul nostru muscular ventricular să se miște ca un adevărat.”
Apoi, înfășurăm această musculatură artificială în jurul membranelor din silicon care modelează suprafața interioară a inimii stângi umane, formând modelul nostru de inimă stângă, atrioventricular. Aceste membrane conțin sângele simulat în interiorul inimii stângi, permițând pomparea simulată a sângelui în și din model.
Sistemul permite cercetătorilor să ajusteze activ tensiunea în mușchii papilari artificiali care susțin valva mitrală. Procedând astfel, echipa a reușit să reproducă condiții asemănătoare bolii, inclusiv prolapsul valvei mitrale și regurgitația, în care sângele curge înapoi în loc să circule eficient prin inimă.
Folosind imagistica cu ultrasunete și măsurători ale presiunii și fluxului de sânge, cercetătorii au demonstrat că inima artificială se comportă în moduri remarcabil asemănătoare unei inimi umane. Funcția valvei sănătoase a produs modele normale de presiune și flux, în timp ce inducerea bolii a cauzat modificări caracteristice observate la pacienți.
„În prima studiu care reproduce valvarea internă a inimii umane, am reușit să generăm forme de undă de presiune și flux similare cu cele reale”, afirmă Do.
„Critic, am fost capabili să ajustăm funcția valvei mitrale controlând lungimea mușchilor papilari. Am validat acest lucru folosind măsurători invazive ale presiunii și fluxului în și din inimă, dar am reușit, de asemenea, să demonstrăm compatibilitatea modelului cu măsurile clinice non-invazive ale funcției cardiace, cum ar fi imagistica cu ultrasunete sau ecocardiografia.”
„Funcția simulată sănătoasă a valvei mitrale a urmat așteptările fiziologice în ceea ce privește presiunea și fluxul sanguin, în timp ce inducerea bolii a arătat o creștere a regurgitației sau a fluxului inversat și o scădere a presiunii și fluxului de ieșire, de asemenea, consistentă cu boala valvei cardiace umane.”
Profesorul Nigel Lovell, șef al Școlii de Inginerie Biomedică și director al Tyree IHealthE, a adăugat: „Imagingul cu ultrasunete a semănat, de asemenea, cu imagistica cardiacă umană datorită formei biomimetice și funcției modelului nostru. Am putut observa mișcarea foilor valvei asemănătoare cu cele umane și vizualiza fluxul de sânge prin valve, inclusiv formarea jeturilor regurgitante care scurg din valve cu boală indusă.”
Cercetătorii au folosit, de asemenea, sistemul pentru a testa un cateter cardiac robotic moale recent dezvoltat în interiorul modelului bătător. Cateterul a putut naviga în inima artificială și a detectat când a intrat în contact cu structuri cardiace în mișcare, demonstrând cum platforma ar putea accelera dezvoltarea unor instrumente chirurgicale viitoare.
Pentru că simulatorul oferă un mediu controlabil și repetabil, cercetătorii cred că ar putea ajuta la reducerea nevoii de studii pe animale în etapele timpurii ale dezvoltării dispozitivelor medicale. „Sperăm să creăm o platformă pentru a modela cuprinzător bolile cardiace și a simula diversele lor tratamente, inclusiv implanturi cardiace și instrumente chirurgicale”, a declarat Do.
„În special în etapele timpurii ale dezvoltării dispozitivelor cardiace, o astfel de platformă va oferi control asupra funcției cardiace, păstrând în același timp relev
