В 3D здоровые сердца делают свою версию поворота. Вместо простого перекачивания они циркулируют кровь, как если бы выжимали полотенце. Нижняя часть сердца скручивается, когда сжимается против часовой стрелки, а верхняя — по часовой стрелке. Ученые называют это заворотом левого желудочка — и его можно использовать как индикатор здоровья сердца.
Не только сердце. Человеческое тело изобилует примерами мягких мышечных систем, которые изгибаются, скручиваются, растягиваются и сгибаются сложным образом. Инженеры долгое время пытались разработать роботизированные системы с необходимыми исполнительными системами, которые могли бы выполнять аналогичные задачи, но им это не удалось.Теперь группа исследователей из Гарвардского института биологической инженерии Висса и Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) разработала недорогой программируемый материал с мягким срабатыванием, который дает новую надежду миссии.
Они продемонстрировали потенциал этого материала, используя его для воспроизведения биологического движения сердца, а также разработали соответствующую трехмерную компьютерную модель, как сообщается в Advanced Materials.«Большинство моделей сердца, используемых сегодня, не имитируют его трехмерное движение», — сказала ведущий автор исследования Эллен Рош, доктор медицинских наук. кандидат в SEAS, который также связан с Институтом Висс. «Они принимают во внимание только поток».
Чего не хватает, так это важного скручивающего движения, которое сердце использует для эффективного перекачивания крови.«Мы черпали вдохновение для мягкого активированного материала в элегантном дизайне сердца», — сказал член факультета Wyss Core Конор Уолш, доктор философии, старший автор, который также является доцентом кафедры механической и биомедицинской инженерии в SEAS и основатель Гарвардской лаборатории биодизайна. «Этот подход может вдохновить на создание более совершенных хирургических инструментов для обучения и имплантируемых сердечных устройств, а также открывает новые возможности в развивающейся области мягкой робототехники для устройств, которые также помогают другим органам».
Сердце движется так же, как и оно, благодаря пучкам поперечно-полосатых мышечных волокон, которые ориентированы по спирали в одном направлении и работают вместе, создавая движение.Чтобы имитировать эти мышечные волокна, команда сначала разработала модифицированную пневматическую искусственную мышцу (PAM), полностью изготовленную из мягкого материала — силиконового эластомера со встроенной плетеной сеткой — и прикрепленную через трубку к источнику воздуха.
При повышении давления PAM укорачиваются, как биологические мышцы, но только в одном направлении.Затем команда встроила несколько таких искусственных мышц в матрицу, сделанную из того же мягкого силиконового эластомера. Изменяя свою ориентацию и конфигурацию в матрице и оказывая давление, они могли совершать различные движения в более чем одном направлении, имитируя сложное движение сердца.Они рассчитали значения силы и деформации для множества устройств PAM и использовали их для разработки новой компьютерной модели, которая имитирует связанные с ними модели движения в 3D.
Из трех слоев мышечных волокон сердца самый внешний слой является наиболее ответственным за доминирующий глобальный поворот, поэтому команда использовала свою компьютерную модель для определения конфигурации PAM в чашеобразной матрице, которая наиболее точно имитировала волокна в самый внешний слой сердца. Они построили прототип и прикрепили трекеры движения, чтобы увидеть, как он будет реагировать, когда PAMs подвергаются различным нагрузкам.
Их экспериментальные результаты близко соответствовали предсказаниям компьютерной модели, а также соответствовали доступным клиническим данным о действии желудочкового скручивания.«Это был великий момент», — сказал Рош. «Это означает, что теперь у нас есть доказательство концепции, что мы можем имитировать естественное трехмерное движение сердца». Короче говоря, они заставили свои модельные сердца сделать поворот.
Более того, выборочно деактивируя определенные PAM в матрице, команда имитировала тип повреждения сердечной мышцы при определенных заболеваниях. Например, больное сердце после сердечного приступа демонстрирует менее выраженный перекос левого желудочка из-за местного повреждения, которое распространяется через стенку сердца.
В конечном итоге команда надеется разработать биосовместимые версии матрицы в качестве одного из нескольких следующих шагов на пути к новому виду имплантируемого сердечного устройства, сказал Рош, чьими советниками являются Уолш и член основного факультета Института Вайса Дэвид Муни. Муни, доктор философии, еще один соавтор публикации, также является семейным профессором биоинженерии Роберта П. Пинкаса в SEAS.
«Движение большинства механически активных сердечных устройств в настоящее время тестируется в 2D», — сказал директор-основатель Wyss Institute Дон Ингбер, доктор медицины, доктор философии. «Этот новый прорыв обеспечивает гораздо лучший испытательный стенд для этих типов устройств — и он может вдохновить на создание целого нового класса кардиологических терапий, таких как усовершенствованные вспомогательные устройства для желудочков, которые имитируют естественное движение сердца».Видео:
Прототип сердца и модель выполняют скручивание левого желудочка. https://vimeo.com/87483470Числовая модель показывает, как изменяется движение сердца при деактивации трех PAM. https://vimeo.com/87483472Движение прототипа сердца изменяется при деактивации трех PAM. https://vimeo.com/87483471