新南威尔士大学悉尼校区的研究人员开发出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》和《先进科学》期刊上，介绍了一种模拟心脏左侧的跳动模型，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，且经常受到疾病影响。
该设备能够准确再现真实心脏中瓣膜渗漏和血液倒流的过程，这会增加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状况，减少对动物实验的依赖，并为医生提供患者特定模型，以便在手术前规划治疗方案。
研究团队负责人、新南威尔士大学生物医学工程学院和新南威尔士大学医学机器人实验室的科学家副教授Thanh Nho Do表示，这项工作非常重要，因为心血管疾病仍然是全球主要的死亡原因。
"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如高血压、心律不齐、肾病、肥胖和糖尿病一起发生。"Thanh Nho Do说道，他是新南威尔士大学生物医学工程学院的科学家副教授。
"因为它以不同的方式影响人们，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，但疾病可能导致它们变得渗漏或僵硬。这可能会增加心脏的工作负荷并导致心力衰竭。"
"我们的更广泛目标是建立真实的模拟心脏模型，帮助研究人员理解疾病并开发更安全、更有效的设备，然后在动物或患者身上进行测试。"
重现跳动的心脏
新南威尔士大学开发的模型是心脏左侧的软性、灵活复制品。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再现了心脏自然收缩和扭转的方式。
与传统实验室模型不同，这种软体机器人心脏包含控制二尖瓣的结构，在现实生活中，二尖瓣就像一对随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。
在模型中包含心脏的这一特定生理特征将使研究人员能够重现瓣膜渗漏和血液开始倒流的疾病状态。
"该模型由柔性材料制成，并由人工肌肉提供动力，这些肌肉的排列方式模仿了人类心脏的分层肌肉结构，"Do研究小组的博士后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来模拟这种肌肉纤维结构的方法。它们由液压压力驱动，我们控制这种压力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模拟人类左心内表面的硅胶膜上，形成我们的左心房室模型。这些膜包含模拟血液在左心内，允许模型模拟血液的泵入和泵出。"
该系统允许研究人员主动调整支撑二尖瓣的人工乳头肌的张力。
通过这样做，研究团队能够重现包括二尖瓣脱垂和反流在内的疾病样状况，其中血液不是有效地流过心脏，而是倒流。
模拟人类心脏疾病
使用超声成像以及压力和血流测量，研究人员表明，这种人造心脏的行为方式与人类心脏非常相似。
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看到的特征性变化。
"在第一项重现人类心脏内部阀门的研究中，我们能够生成与真实心脏相似的压力和流动波形，"科学家副教授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流量测量对心脏内部和外部进行了验证，但我们还能够证明该模型与超声成像等非侵入性临床心脏功能测量的兼容性，或称为超声心动图。"
"模拟的健康二尖瓣功能遵循心脏压力和流量的生理预期，而诱导疾病显示反流增加，或倒流，以及出口压力和流量下降，这也与人类心脏瓣膜疾病一致。"
生物医学工程学院院长兼Tyree IHealthE主任Nigel Lovell科学家教授补充说："由于我们模型的仿生形态和功能，超声成像也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，并可视化通过瓣膜的血流，包括从诱导疾病的瓣膜泄漏的反流射流形成。"
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。
该导管能够在人造心脏内导航并检测与移动心脏结构接触的情况，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
由于该模拟器提供了可控和可重复的环境，研究人员认为它可以在医疗设备开发的早期阶段帮助减少对动物研究的需求。
"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（包括心脏植入物和手术工具）的平台，"科学家副教授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和生理相关性的同时控制心脏功能，减少我们对动物模型的依赖及其相关成本和伦理问题。"
"能够诱导广泛的特定心脏疾病，如HFpEF（射血分数保留型心力衰竭），它仍然是最不了解和最难治疗的心力衰竭之一，我们希望能够帮助开发新的、专门设计的植入物和设备，以挽救和改善生命，并减轻心血管疾病对医疗系统的负担。"
"占心力衰竭病例50%的HFpEF疾病应该有其自己的机械治疗选择。"
更重要的是，该模型成功地重现了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的最早迹象之一——心脏在两次跳动之间放松能力下降时，模型显示血液流入心脏的速度更慢、效率更低。这种延迟充盈增加了心脏内部的压力，与HFpEF患者中通常观察到的情况非常吻合。
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，以帮助手术规划，并为植入物类型、大小和功能参数提供决策依据，"科学家副教授Do说。
"我们期待在未来验证这些概念并推动临床采用。"
未来验证
尽管该研究证明了该技术的潜力，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。
仍有许多挑战，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。未来的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非简化结构。
最重要的是，该平台必须通过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，"科学家副教授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专家Christopher Hayward教授，以及新南威尔士大学的Jelena Rnjak-Kovacina教授和Hoang-Phuong Phan科学家副教授，他们希望随着该技术的进一步发展，它可以在临床环境中得到采用。
"我们不是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博士补充道。
"它证明了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力学，并为患者特定建模、设备测试和最终治疗规划提供了明确的途径。"
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