Ingenieure entwickeln bionisches „Herz“ zum Testen von Klappenprothesen und anderen Herzgeräten

Eine Nahaufnahme einer synthetischen Matrix aus weichen Roboteraktoren, die um eine Herzkammer gewickelt und aufgeblasen werden können, um das Herz auf die gleiche Weise zu drücken und zu drehen, wie ein echtes Herz Blut pumpt. Quelle: Ellen Roche et. al

Da die geriatrische Bevölkerung in den kommenden zehn Jahren voraussichtlich ansteigen wird, wird auch die Zahl der Herzerkrankungen in den Vereinigten Staaten steigen. Der Markt für prothetische Herzklappen und andere Herzgeräte, der heute auf mehr als 5 Milliarden US-Dollar geschätzt wird, wird in den nächsten sechs Jahren voraussichtlich um fast 13 Prozent steigen.

Klappenprothesen sind so konzipiert, dass sie eine echte, gesunde Herzklappe nachahmen und dabei helfen, das Blut durch den Körper zu zirkulieren. Viele von ihnen haben jedoch Probleme wie Leckagen um das Ventil herum, und Ingenieure, die an der Verbesserung dieser Konstruktionen arbeiten, müssen sie wiederholt testen, zuerst in einfachen Laborsimulatoren, dann an Tierversuchen, bevor sie in einem mühsamen und teuren Verfahren am Menschen getestet werden.

Jetzt haben Ingenieure am MIT und anderswo ein bionisches “Herz” entwickelt, das ein realistischeres Modell zum Testen künstlicher Klappen und anderer Herzgeräte bietet.

Das Gerät ist ein echtes biologisches Herz, dessen hartes Muskelgewebe durch eine weiche Robotermatrix aus künstlichen Herzmuskeln ersetzt wurde, die einer Luftpolsterfolie ähnelt. Die Ausrichtung der künstlichen Muskeln ahmt das Muster der natürlichen Muskelfasern des Herzens nach, so dass, wenn die Forscher die Blasen aus der Ferne aufblasen, sie zusammenwirken, um das innere Herz zu drücken und zu verdrehen, ähnlich wie ein echtes, ganzes Herz schlägt und pumpt Blut.

Mit diesem neuen Design, das sie als “biorobotisches Hybridherz” bezeichnen, stellen sich die Forscher vor, dass Gerätedesigner und -ingenieure Designs durch Tests am biohybriden Herzen schneller iterieren und verfeinern können, wodurch die Kosten für die Entwicklung von Herzgeräten erheblich gesenkt werden.

“Regulatorische Tests von Herzgeräten erfordern viele Ermüdungstests und Tierversuche”, sagt Ellen Roche, Assistenzprofessorin für Maschinenbau am MIT. “[The new device] könnte realistisch darstellen, was in einem echten Herzen passiert, um die Menge an Tierversuchen zu reduzieren oder das Design schneller zu wiederholen.”

Roche und ihre Kollegen haben ihre Ergebnisse in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftsrobotik. Ihre Co-Autoren sind die Hauptautorin und Doktorandin des MIT, Clara Park, zusammen mit Yiling Fan, Gregor Hager, Hyunwoo Yuk, Manisha Singh, Allison Rojas und Xuanhe Zhao am MIT sowie Mitarbeiter der Nanyang Technology University, des Royal College of Surgeons in Dublin, Bostons Children’s Hospital, Harvard Medical School und Massachusetts General Hospital (MGH).

Video der Echokardiographie des biorobotischen Hybridherzens und eines gesunden in-vivo-Schweineherzens. Quelle: Park et al., Sci Robot. 5, eaay9106 (2020)

“Mechanik des Herzens”

Bevor Roche zum MIT kam, arbeitete Roche kurz in der biomedizinischen Industrie und half beim Testen von Herzgeräten an künstlichen Herzmodellen im Labor.

„Damals hatte ich nicht das Gefühl, dass eines dieser Benchtop-Setups sowohl für die Anatomie als auch für die physiologische Biomechanik des Herzens repräsentativ war“, erinnert sich Roche. “Es gab einen unerfüllten Bedarf an Gerätetests.”

In separaten Forschungsarbeiten im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der Harvard University entwickelte sie eine weiche, robotische, implantierbare Hülle, die sich um ein ganzes, lebendes Herz wickeln lässt, um es bei Patienten mit Herzinsuffizienz zu unterstützen, Blut zu pumpen.

Am MIT fragten sie und Park, ob sie die beiden Forschungswege kombinieren könnten, um ein Hybridherz zu entwickeln: ein Herz, das teils aus chemisch konserviertem, explantiertem Herzgewebe und teils aus weichen künstlichen Aktoren besteht, die dem Herzen helfen, Blut zu pumpen. Ein solches Modell, so schlugen sie vor, sollte eine realistischere und haltbarere Umgebung zum Testen von Herzgeräten sein, verglichen mit Modellen, die entweder vollständig künstlich sind, aber nicht die komplexe Anatomie des Herzens erfassen oder aus einem echten explantierten Herzen bestehen, was sehr hohe Anforderungen stellt kontrollierte Bedingungen, um das Gewebe am Leben zu erhalten.

Das Team überlegte kurz, ein ganzes explantiertes Herz in eine weiche Roboterhülle zu wickeln, ähnlich wie bei Roches früherer Arbeit, stellte jedoch fest, dass das äußere Muskelgewebe des Herzens, das Myokard, beim Entfernen aus dem Körper schnell versteifte. Jede Roboterkontraktion durch die Hülse würde sich nicht ausreichend auf das Herz im Inneren übertragen.

Stattdessen suchte das Team nach Wegen, eine weiche Robotermatrix zu entwerfen, die das natürliche Muskelgewebe des Herzens sowohl in Bezug auf Material als auch Funktion ersetzt. Sie beschlossen, ihre Idee zuerst an der linken Herzkammer auszuprobieren, einer von vier Kammern im Herzen, die Blut in den Rest des Körpers pumpt, während die rechte Herzkammer weniger Kraft aufwendet, um Blut in die Lunge zu pumpen.

“Der linke Ventrikel ist aufgrund seines höheren Betriebsdrucks schwieriger zu rekonstruieren, und wir beginnen gerne mit den harten Herausforderungen”, sagt Roche.

Video der Bewegung des biorobotischen Hybridherzens unter MRT. Quelle: Park et al., Sci Robot. 5, eaay9106 (2020)

Das Herz, entfaltet

Das Herz pumpt Blut normalerweise durch Drücken und Drehen, eine komplexe Kombination von Bewegungen, die das Ergebnis der Ausrichtung der Muskelfasern entlang des äußeren Myokards ist, das jeden der Herzventrikel bedeckt. Das Team plante, eine Matrix künstlicher Muskeln herzustellen, die aufblasbaren Blasen ähneln und in der Ausrichtung des natürlichen Herzmuskels ausgerichtet sind. Aber das Kopieren dieser Muster durch das Studium der dreidimensionalen Geometrie eines Ventrikels erwies sich als äußerst schwierig.

Sie stießen schließlich auf die Theorie des helikalen ventrikulären Myokardbandes, der Idee, dass der Herzmuskel im Wesentlichen ein großes helikales Band ist, das sich um jeden der Herzventrikel wickelt. Diese Theorie wird von einigen Forschern immer noch diskutiert, aber Roche und ihre Kollegen haben sie als Inspiration für ihr Design genommen. Anstatt zu versuchen, die Muskelfaserausrichtung des linken Ventrikels aus einer 3D-Perspektive zu kopieren, entschied sich das Team, das äußere Muskelgewebe des Ventrikels zu entfernen und es zu entwickeln, um eine lange, flache Bandgeometrie zu bilden, die viel einfacher nachzubilden sein sollte. In diesem Fall verwendeten sie das Herzgewebe eines explantierten Schweineherzens.

In Zusammenarbeit mit Co-Lead-Autor Chris Nguyen von MGH verwendeten die Forscher die Diffusionstensor-Bildgebung, eine fortschrittliche Technik, die typischerweise verfolgt, wie Wasser durch die weiße Substanz im Gehirn fließt, um die mikroskopischen Faserorientierungen der entfalteten, zweidimensionalen Muskelband. Anschließend stellten sie eine Matrix künstlicher Muskelfasern aus dünnen Luftschläuchen her, die jeweils mit einer Reihe aufblasbarer Taschen oder Blasen verbunden waren, deren Ausrichtung sie den abgebildeten Muskelfasern nachempfunden haben.

Die weiche Matrix besteht aus zwei Lagen Silikon, dazwischen befindet sich eine wasserlösliche Schicht, die ein Verkleben der Lagen verhindert, sowie zwei Lagen lasergeschnittenen Papiers, das dafür sorgt, dass sich die Blasen in einer bestimmten Ausrichtung aufblasen.

Die Forscher entwickelten auch einen neuen Bioadhäsivtyp, um die Luftpolsterfolie auf das echte intrakardiale Gewebe des Ventrikels zu kleben. Während es Klebstoffe gibt, um biologisches Gewebe miteinander und für Materialien wie Silikon miteinander zu verbinden, stellte das Team fest, dass nur wenige weiche Klebstoffe biologisches Gewebe mit synthetischen Materialien, insbesondere Silikon, ausreichend verkleben.

Roche arbeitete daher mit Zhao zusammen, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT, der sich auf die Entwicklung von Klebstoffen auf Hydrogelbasis spezialisiert hat. Der neue Klebstoff mit dem Namen TissueSil wurde hergestellt, indem Silikon in einem chemischen Vernetzungsprozess funktionalisiert wurde, um sich mit Komponenten im Herzgewebe zu verbinden. Das Ergebnis war eine viskose Flüssigkeit, die die Forscher auf die weiche Robotermatrix strichen. Sie strichen den Kleber auch auf ein neues explantiertes Schweineherz, bei dem die linke Herzkammer entfernt, aber die endokardialen Strukturen erhalten wurden. Als sie die künstliche Muskelmatrix um dieses Gewebe wickelten, verbanden sich die beiden fest.

Video, das die Haftfestigkeit von TissueSil im Vergleich zu anderen Klebstoffen (Cyanoacrylat und DuraSeal) zeigt. Quelle: Park et al., Sci Robot. 5, eaay9106 (2020)

Schließlich legten die Forscher das gesamte Hybridherz in eine Form, die sie zuvor aus dem ursprünglichen, ganzen Herzen gegossen hatten, und füllten die Form mit Silikon, um das Hybridherz in einem einheitlichen Überzug zu umhüllen攁 Schritt, der eine Form erzeugte, die einem echten Herzen ähnelte und sorgte dafür, dass die Roboter-Luftpolsterfolie eng um den echten Ventrikel passte.

“Auf diese Weise geht die Bewegungsübertragung vom synthetischen Muskel auf das biologische Gewebe nicht verloren”, sagt Roche.

Als die Forscher Luft mit Frequenzen in die Luftpolsterfolie pumpten, die einem natürlich schlagenden Herzen ähnelten, und die Reaktion des bionischen Herzens abbildeten, zog es sich auf ähnliche Weise zusammen, wie sich ein echtes Herz bewegt, um Blut durch den Körper zu pumpen.

Letztendlich hoffen die Forscher, das bionische Herz als realistische Umgebung zu nutzen, um Designern beim Testen von Herzgeräten wie Herzklappenprothesen zu helfen.

„Stellen Sie sich vor, dass das Herz eines Patienten vor der Implantation eines kardialen Geräts gescannt werden könnte und Ärzte das Gerät dann so einstellen könnten, dass es lange vor der Operation beim Patienten optimal funktioniert“, sagt Nyugen. „Außerdem könnten wir mit weiterem Tissue Engineering das biorobotische Hybridherz möglicherweise als künstliches Herz einsetzen – eine dringend benötigte potenzielle Lösung angesichts der globalen Herzinsuffizienz-Epidemie, bei der Millionen von Menschen einer wettbewerbsfähigen Liste von Herztransplantationen ausgeliefert sind.“


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