研究人员在悉尼新南威尔士大学(UNSW)开发了一种全合成软体机器人心脏，能够复制人类心脏的复杂运动和内部结构，为更好的治疗、更安全的医疗设备和更个性化的护理打开了大门。
该研究发表在《自然通讯》(Nature Communications)和《先进科学》(Advanced Science)期刊上，介绍了一种跳动的左心模型，包括人工瓣膜、乳头肌和腱索——这些结构对心脏健康功能至关重要，也经常受到疾病影响。
该设备能够准确再现真实心脏中瓣膜泄漏和血液倒流的过程，增加了心力衰竭和其他危及生命的并发症的风险。
研究团队表示，这种新型软体机器人最终可以帮助更好地理解心脏疾病，减少对动物实验的依赖，并为医生提供患者特定的模型，以便在进行手术前规划治疗方案。
项目负责人、UNSW生物医学工程学院和UNSW医疗机器人实验室的科学副教授Thanh Nho Do表示，这项工作很重要，因为心血管疾病仍然是全球主要死亡原因。
"射血分数保留型心力衰竭(HFpEF)是一种复杂的心脏疾病，通常与其他健康问题同时发生，如高血压、心律不齐、肾病、肥胖和糖尿病，"Do说。
"因为它以不同方式影响人们，开发改善心脏功能的医疗设备具有挑战性。"
"心脏中的瓣膜对心脏效率也至关重要，但疾病可能导致瓣膜泄漏或僵硬。这会增加心脏的工作负担，并导致心力衰竭。"
"我们更广泛的目标是建立真实的一个人工心脏模型，帮助研究人员了解疾病，并在动物或患者身上测试前开发更安全、更有效的设备。"
重现跳动的心脏
UNSW开发的模型是左心的软性、柔性复制品。硅胶膜形成内部腔室，而包裹在结构周围的软体机器人人工肌肉重现了心脏自然收缩和扭转的方式。
与传统实验室模型不同，该软体机器人心脏包含控制二尖瓣的结构，在现实中，二尖瓣就像一对随着每次心跳开合的摆动门，确保富氧血液流向身体，同时防止倒流。
该模型中包含心脏这一特定生理特征，将使研究人员能够重现瓣膜泄漏和血液开始倒流的疾病。
"该模型由柔性材料制成，由排列成模仿人类心脏分层肌肉结构的人工肌肉提供动力，"Do团队的博士后James Davies博士说。
"我们找到了一种使用软体机器人人工肌肉纤维模拟这种肌肉纤维结构的方法。它们由液压驱动，我们控制液压使心室肌肉模型像真实心脏一样运动。"
"然后，我们将这种人工肌肉包裹在硅胶膜上，这些膜模拟人类左心的内表面，形成我们的左心房室模型。这些膜将模拟血液包含在左心内，允许模型模拟血液的进出泵送。"
该系统使研究人员能够主动调整支撑二尖瓣的人工乳头肌的张力。
通过这样做，团队能够重现包括二尖瓣脱垂和反流在内的疾病样状况，其中血液反向流动而不是高效地流经心脏。
模拟人类心脏疾病
使用超声成像和压力与血流测量，研究人员证明人工心脏以与人类心脏非常相似的方式运作。
健康瓣膜功能产生正常的压力和流动模式，而引入疾病则导致患者中观察到的特征性变化。
"在第一项重现人类心脏内部瓣膜功能的研究中，我们能够生成与真实心脏相似的压力和流动波形，"Do说。
"关键的是，我们能够通过控制乳头肌长度来调整二尖瓣功能。"
"我们使用侵入性压力和心内外血流测量验证了这一点，但我们也能够证明该模型与超声成像等无创临床心脏功能测量的兼容性。"
"模拟的健康二尖瓣功能遵循心脏压力和血流的生理预期，而诱发疾病则显示反流增加或倒流，以及出口压力和流量降低，这也与人类心脏瓣膜疾病一致。"
生物医学工程学院院长、Tyree IHealthE主任Nigel Lovell科学教授补充道："超声成像也因模型的仿生形态和功能而类似于人类心脏成像。我们能够观察到类似人类的瓣叶运动，并可视化流经瓣膜的血流，包括从诱发疾病的瓣膜中泄漏出的反流喷射。"
研究人员还使用该系统在跳动模型内测试了一种新开发的软体机器人心脏导管。
该导管能够在人工心脏内导航，并检测何时与移动的心脏结构接触，展示了该平台如何加速未来手术工具的开发。
减少对动物模型的依赖
由于模拟器提供了可控和可重复的环境，研究人员认为它可以帮助减少医疗设备开发早期阶段对动物研究的需求。
"我们希望创建一个全面模拟心脏疾病并模拟各种治疗方法的平台，包括心脏植入物和手术工具，"Do说。
"特别是在心脏设备开发的早期阶段，这样的平台将在保持解剖学和生理学相关性的同时提供对心脏功能的控制，减少我们对动物模型的依赖及其相关的成本和伦理问题。"
"能够诱发包括HFpEF在内的广泛特定心脏疾病，而HFpEF仍然是最不了解和最难治疗的心力衰竭病症之一，我们希望有助于开发新的、专用的植入物和设备，拯救和改善生命，减轻心血管疾病对医疗保健系统的负担。"
"射血分数保留型心力衰竭疾病占心力衰竭病例的50%，应该有自己的机械治疗选择。"
更重要的是，该模型成功重现了HFpEF中看到的许多变化，包括心脏功能和血流的变化。
当研究人员模拟HFpEF最早的迹象之一——心脏在两次心跳之间放松能力降低时，模型显示血液流入心脏更慢、效率更低。这种延迟充盈增加了心脏内的压力，与HFpEF患者中通常观察到的情况非常匹配。
研究人员还设想未来可以使用医学成像数据创建患者特定版本的模型。
这些个性化模型可以帮助临床医生在手术前评估不同的设备和治疗方法，改善手术规划，并可能带来更好的结果。
"随着个性化医学的兴起，我们也希望实现更好的患者特定心血管建模，以辅助手术规划，并为植入物类型、大小和功能参数提供决策支持，"Do说。
"我们期待在未来验证这些概念并推动临床应用。"
未来验证
虽然研究展示了该技术的潜力，但研究人员强调，当前模型仍然是一个概念验证，而不是一个成熟的临床工具。
仍存在一些挑战，包括改进材料、完善控制系统以及使设备与医学成像更加兼容。未来版本还需要更好地重现心脏功能的某些方面，并使用患者特定的几何形状而不是简化结构。
最重要的是，该平台必须与真实患者数据进行验证。
"最重要的下一步是对临床数据进行更深入的验证，"Do说。
"目前的研究展示了强有力的概念验证性能。"
"该模型可以重现与人类心脏行为一致的关键压力、流量、运动、瓣膜和成像特征。然而，在该平台可用于临床决策之前，我们需要将其与各种心脏解剖和疾病严重程度的患者数据进行系统比较。"
该团队还包括悉尼圣文森特医院的心力衰竭和移植心脏病学家Christopher Hayward教授，以及UNSW的Jelena Rnjak-Kovacina教授和Hoang-Phuong Phan科学副教授，他们希望随着进一步开发，这项技术可以在临床环境中采用。
"我们不将当前模型视为一个成熟的临床工具，而是将其视为一个赋能平台，"Davies补充道。
"它证明软体机器人人工心脏可以以传统台式模型无法做到的方式重现疾病机制，并为患者特定建模、设备测试和最终治疗规划提供清晰的途径。"
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