科学家造出了会跳动的硅胶心脏

Professor Jan Pirk (L), doctor Marian Urban and suture nurse Diana Vapenkova (R) perform a heart surgery at the Institute of Clinical and Experimental Medicine (IKEM) in Prague, June 28, 2012. A Czech medical team led by Pirk has performed a breakthrough operation on a 37-year-old heart failure patient, replacing his heart with two mechanical blood pumps, HeartMate II. The man is the first to survive such surgery, which was performed on April 3. The exact operation was previously conducted by heart surgeons in Texas, United States. However, the patient died one week later. Picture taken on June 28, 2012. REUTERS/Petr Josek (CZECH REPUBLIC - Tags: HEALTH SCIENCE TECHNOLOGY SOCIETY)
ETH researchers have created an artificial, silicone heart to help combat the shortage of donor heartsImage: REUTERS/Petr Josek
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它看起来就像一颗真正的心脏。这正是首个全软体人工心脏的目标:尽可能逼真地模仿天然心脏。这个硅胶心脏由尼古拉斯·科尔斯(Nicholas Cohrs)研制,他是温德林·施塔克(Wendelin Stark)领导的研究小组中的博士生。施塔克是苏黎世联邦理工学院功能材料工程学教授。以自然为蓝本的理由显而易见。目前使用的血泵有许多缺点:其机械部件容易引发并发症,而患者缺乏生理性脉搏,这被认为会对患者造成一定影响。

“因此,我们的目标是开发一种人工心脏,其大小与患者自身的心脏大致相同,并在形态和功能上尽可能逼真地模仿人类心脏,”科尔斯说。能够良好运作的人工心脏确有迫切需求:全球约有2600万人患有心力衰竭,而供体心脏短缺。人工血泵有助于患者等待供体心脏移植或自身心脏康复。

这种软体人工心脏采用硅胶,通过3D打印和失蜡铸造工艺制成;重390克,体积为679 cm3。“它是一体成型的硅胶结构,内部构造复杂,”科尔斯解释说。这颗人工心脏和真正的人类心脏一样,具有左右心室,但两者之间没有隔膜,而是由一个额外的腔室隔开。该腔室通过加压空气充气和放气,将液体从血液腔室泵出,从而取代人类心脏的肌肉收缩。

Image: 苏黎世联邦理工学院

另辟蹊径

由米尔科·梅博尔特(Mirko Meboldt)教授领导的苏黎世产品开发小组博士生阿纳斯塔西奥斯·佩特鲁(Anastasios Petrou)评估了这种软体人工心脏的性能。这些青年研究人员刚刚在科学期刊《人工器官》上发表了实验结果。

他们证实,这种软体人工心脏基本上能够正常工作,其运动方式与人类心脏相似。不过,它仍有一个问题:目前只能跳动约3,000次,相当于半小时至四分之三小时的使用时间。此后,材料便无法继续承受这种负荷。科尔斯解释说:“这只是一次可行性测试。我们的目标不是展示一颗可供植入的心脏,而是为人工心脏的研发探索一条新路。”当然,材料的抗拉强度和心脏性能都还需要大幅提升。

苏黎世心脏项目汇聚研究人员

科尔斯和佩特鲁是在“苏黎世心脏”项目中相识的。该项目是苏黎世大学医学部的一项旗舰项目,汇集了来自苏黎世和柏林不同学科及机构的20个研究团队。部分研究着眼于改进现有血泵,例如减少血泵机械部件造成的血液损伤;其他研究则探索极具弹性的膜或生物相容性更好的表面。相关工作与苏黎世和柏林的临床医生密切合作开展。

研究人员之间活跃的交流也助力了“苏黎世心脏”项目的这一子项目。苏黎世产品开发小组的博士生致力于血泵新技术研发,他们开发了一套测试环境,可用于模拟人体心血管系统。硅胶心脏研究人员在研发过程中利用了这套测试环境,并使用了黏度与人类血液相近的液体。佩特鲁自豪地说:“目前,我们的系统可能是世界上最好的系统之一。”

心脏研究是一项引人入胜的工作,科尔斯和佩特鲁都希望继续留在这一研究领域。“作为一名机械工程师,我从未想过自己会把一颗柔软的心脏捧在手中。现在我对这项研究着迷不已,非常希望继续参与人工心脏的研发,”佩特鲁说。

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