生物机械混合心脏

生物机械混合心脏。

未来10年间，随着老龄人口的大幅增加，患心脏疾病的人口数量也将随之上升，对于人工心脏瓣膜和其他心脏设备的需求预计在未来6年中将增长约13%，目前这一市场价值已超过50亿美元。人工瓣膜的设计主要用于模仿真实健康的心脏瓣膜，帮助血液在体内循环。

可是，现有的人造瓣膜还存在瓣膜泄漏等问题。想要改进这些问题，研究人员首先需要在模拟器上反复测试，然后在人体使用前进行动物实验，这一过程将耗费大量精力，成本又颇为高昂。

图 | 人工心脏瓣膜（来源：哈佛大学）

近日，麻省理工学院的研究人员联合哈佛医学院等机构共同研发出一种“仿生心脏”，能够为人工瓣膜及其他心脏疾病的测试提供更加真实的模型。这种心脏是一个真正的生物心脏，其中的肌肉组织已经被柔软的人工心脏肌肉基质所取代，类似于一个气泡膜包装。人工肌肉的方向模仿了心脏的天然肌肉纤维，这样当研究人员在远程充气，肌肉共同挤压和扭曲心脏内部，与真实心脏的工作方式一样，心脏开始跳动并泵出血液。

这一设计被称为“生物机械混合心脏”。科学家们的设想是设备设计者和研究人员能够通过在生物混合心脏进行测试，得以更快地迭代和调整，进而大幅地降低心脏设备开发所需的成本。

麻省理工学院机械工程助理教授Ellen Roche表示：“心脏设备的监管测试需要进行多次的疲劳试验和动物实验。这项新设备可以真实地展现出人类心脏的运行情况，同时有效地降低动物实验的次数，或者更快速地进行设计迭代。”Roche教授和同事们将这项成果发布在近期的《科学机器人》杂志上。这项研究的共同作者是来自新加坡南洋理工大学、都柏林皇家外科学院、波士顿儿童医院等多家院所的研究人员。

仿生心脏的技术细节

在进入麻省理工之前，Roche曾短暂地在生物医药行业工作过，在实验室帮助测试人工心脏模型设备。“那时我还不认为这些台式机器能够同时反映出心脏的解剖结构与生理生物结构。”Roche回忆到。当她在哈佛大学读博士期间，作为部分的研究项目，Roche开发了一种柔软、自动、可移植的套筒，用于包裹整个活体心脏，帮助那些心力衰竭的病人输送血液。在麻省理工期间，Roche想知道能否将两种研究方法相结合，开发出一种混合心脏：其中一部分是由化学方法保存的移植心脏组织，另一部分是帮助心脏供血的柔软人工致动器。

Roche计划这个模型应该放在一个更加真实持久的环境中测试，无论是无法捕捉复杂解剖结构的人工心脏模型，还是一个活体的移植心脏，相比它们而言，这项混合心脏都需要高度地控制好环境以确保肌肉组织的存活。此次研究团队普遍认为，将整个移植心脏包裹在一个柔软的机械套筒内，与Roche之前的研究相似，但同时也认识到心脏的外部肌肉组织——心肌从身体中取出后会快速硬化，由套筒进行的任何机械收缩将难以充分地传输进心脏内部。

取而代之的是，研究人员找到方法设计出一款柔软的机械模型，从材料和功能两方面取代心脏的自然肌肉组织。他们决定先将这种方法应用在心脏的左心室进行试验，左心室能够将血液输送至身体其他部分，同时右心室更加省力地将血液输入肺部。Roche表示：“由于操作压力更大，重建左心室的难度更高，不过我们想从最难的部分开始进行。”

舒展开的仿生心脏

通常情况下，心脏通过挤压和扭转输送血液，这是一种由覆盖在每个心室外部心肌的肌肉纤维排列而成的复杂运动组合。研究人员计划制造一种出类似于充气气泡的人工肌肉基体，与天然心脏肌肉的排列保持一致。可是，通过研究心室的3D几何结构来复制这些模式是极其困难的。

最终，研究人员无意中发现了螺旋心室心肌衰弱能代理论。这种理论认为心脏肌肉实质上是包裹每一个心室的巨大螺旋带。不过，这一理论目前还是一些科学家争论的话题。可对于Roche和同事们而言，这个理论却是他们设计的灵感来源。研究人员没有试图从3D角度复制左心室的肌肉纤维方向，而是取出心室外部的肌肉组织，将它打开形成一个长条平整的带子——从几何学角度来说更加容易进行二次创造。在这次的实验中，研究人员使用了一个移植猪心脏的肌肉组织。

在与马萨诸塞州总医院的共同作者Chris Nguyen的合作中，研究人员使用了一种可以追踪水流过脑白质的先进技术——弥散张量成像，用来绘制左心室展开形成的2D肌肉带的微观纤维方向。随后，他们制造了人造肌肉纤维基体，这些人造肌肉纤维由细的呼吸管制成，每根呼吸管连接着一串可充气的气泡，他们根据肌肉纤维成像图来确定方向。当研究人员以心跳频率向气泡膜中泵入空气，并对仿生心脏的反应进行成像时，它的收缩方式与真实心脏活动和输送血液的方式类似。Roche表示：“这样就可以实现从人造肌肉到生物组织的运动传递。”

具体来说，这种柔软的混合模型由两层硅树脂和两层激光切割的纸组成，两层硅树脂之间有一层水溶性物质防止粘连，两层激光切割纸可以确保在特定的方向给气泡充气。同时，研究人员还开发了一种新型生物粘着剂，可以将气泡膜粘在心室的真正心内组织上。虽然这种粘接剂能够在生物组织之间以及硅树脂等材料之间进行粘合，可是研究团队发现，几乎没有一种软性粘接剂能够将生物组织与合成材料充分粘合在一起，尤其是硅树脂。

所以，Roche与专业从事水凝胶粘合剂研究的麻省理工机械工程副教授Zhao进行合作，开发了一种名为TissueSil的新型粘合剂，通过化学交联的方法将硅树脂功能化，进而与心脏组织部件相连接。当研究人员将粘合剂刷在柔软的机械混合模型上，它变作了一种粘液。随后，他们将这种粘合剂刷到一个新外植的猪心脏上，其左心室已经被切除，但保留了心内膜结构。当他们围绕着心脏组织包裹上人造肌肉模型后，两者紧密地粘合在了一起。

最后，研究人员将整个混合心脏放在先前塑形的原始心脏模具里，并用硅胶填充模具，将混合心脏包裹起来——这一步能够形成真实心脏的形态，并确保机械气泡紧密地包裹活体心室。Roche表示：“这样就可以实现从人造肌肉到生物组织的运动传递。”

编译自麻省理工大学网站

（责任编辑 姜懿翀）