麻省理工学院的工程师设计了心脏右腔室的机器人复制品

麻省理工学院的工程师开发了一种心脏右心室的机器人复制品，它模仿了活心脏的跳动和抽血动作。

机器人心室将真实的心脏组织与合成的气球状人造肌肉相结合，使科学家能够控制心室的收缩，同时观察其天然瓣膜和其他复杂结构的功能。

人工心室可以进行调整，以模拟健康和疾病状态。该团队操纵该模型来模拟右心室功能障碍的状况，包括肺动脉高压和心肌梗塞。他们还使用该模型来测试心脏设备。例如，研究小组植入了一个机械瓣膜来修复一个自然故障的瓣膜，然后观察心室的泵血是如何变化的。

他们说，新的机器人右心室（RRV）可以用作研究右心室疾病并测试旨在治疗这些疾病的设备和疗法的现实平台。

“在重症监护病房环境中，右心室特别容易出现功能障碍，尤其是在机械通气的患者中，”麻省理工学院医学工程与科学研究所（IMES）的博士后Manisha Singh说。“RRV模拟器将来可用于研究机械通气对右心室的影响，并制定预防这些脆弱患者右心衰竭的策略。

Singh和她的同事在今天发表在 《自然心血管研究》上的一篇开放获取论文中报告了新设计的细节。她的合著者包括Ellen Roche副教授，她是IMES的核心成员，也是麻省理工学院机械工程系研究副主任;以及麻省理工学院的 Jean Bonnemain、Caglar Ozturk、Clara Park、Diego Quevedo-Moreno、Meagan Rowlett 和 Yiling Fan;马萨诸塞州总医院的布莱恩·艾尔斯（Brian Ayers）;克利夫兰诊所的克里斯托弗·阮（Christopher Nguyen）;和波士顿儿童医院的 Mossab Saeed。

节拍的芭蕾舞

右心室是心脏的四个腔室之一，还有左心室和左右心房。在四个腔室中，左心室是举重器，因为其厚实的锥形肌肉组织用于将血液泵送到全身。罗氏说，相比之下，右心室是一个“芭蕾舞演员”，因为它可以处理较轻但同样重要的负荷。

“右心室将脱氧血液泵送到肺部，因此它不必用力泵送，”罗氏指出。“这是一块更薄的肌有更复杂的结构和运动。

这种解剖学的复杂性使临床医生难以准确观察和评估心脏病患者的右心室功能。

“传统工具通常无法捕捉到右心室的复杂机制和动力学，导致潜在的误诊和治疗策略不足，”Singh说。

为了提高对鲜为人知的心室的理解，并加快心脏设备的开发以治疗其功能障碍，该团队设计了一个逼真的右心室功能模型，既能捕捉其解剖学上的复杂性，又能再现其泵血功能。

该模型包括真实的心脏组织，该团队选择将其纳入其中，因为它保留了过于复杂而无法合成的自然结构。

“有细而微小的脊索和瓣叶，具有不同的材料特性，它们都与心室的肌肉一起运动。尝试铸造或打印这些非常精细的结构是相当具有挑战性的，“罗氏解释道。

一颗心的保质期

在这项新研究中，研究小组报告了移植猪的右心室，他们对其进行了处理以仔细保存其内部结构。然后，他们在它周围安装一个硅胶包裹，作为柔软的合成心肌或肌肉衬里。在这个衬里内，研究小组嵌入了几根长长的气球状管，这些管子围绕着真正的心脏组织，在团队通过计算建模确定的位置是再现心室收缩的最佳位置。研究人员将每根管子连接到一个控制系统，然后他们设置以模仿心脏真实节律和运动的速度给每根管子充气和放气。

为了测试其泵送能力，该团队向模型注入了一种粘度与血液相似的液体。这种特殊的液体也是透明的，允许工程师用内部摄像头观察当心室泵送液体时内部阀门和结构的反应。

他们发现，人工心室的泵送能力及其内部结构的功能与他们之前在活体健康动物中观察到的相似，这表明该模型可以逼真地模拟右心室的动作和解剖结构。研究人员还可以调整泵管的频率和功率，以模拟各种心脏状况，如心律不齐、肌肉无力和高血压。

“从某种意义上说，我们正在使心脏复活，并且以一种我们可以研究并可能治疗其功能障碍的方式，”罗氏说。

为了证明人工心室可用于测试心脏设备，该团队通过手术植入了各种尺寸的环状医疗设备，以修复室的三尖瓣 – 一种让血液进入右心室的叶状单向瓣膜。当这个瓣膜渗漏或身体受损时，它会导致右心衰竭或心房颤动，并导致运动能力下降、腿部和腹部肿胀以及肝脏肿大等症状。

研究人员通过手术操纵机器人心室的瓣膜来模拟这种情况，然后通过植入机械瓣膜来替换它，或者使用不同尺寸的环状装置进行修复。他们观察了哪种装置在继续泵送时改善了心室的液体流量。

“凭借其准确复制三尖瓣功能障碍的能力，RRV 是外科医生和介入心脏病专家的理想训练场，”Singh 说。“他们可以在我们的模型上练习新的手术技术来修复或更换三尖瓣，然后再对实际患者进行手术。”

目前，RRV可以在几个月内模拟真实功能。该团队正在努力扩展这种性能，并使模型能够连续运行更长的路段。他们还与植入式设备的设计者合作，在人工心室上测试他们的原型，并可能加快他们到达患者的道路。展望未来，罗氏计划将RRV与类似的左心室人工功能模型配对，该小组目前正在对其进行微调。

“我们设想将其与左心室配对，以制造一个完全可调的人工心脏，该心脏可能在人体中发挥作用，”罗氏说。“我们还有很长一段时间，但这是总体愿景。

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。