從人工心臟瓣膜到細胞移植，心血管疾病的新療法正在每天開發。為了模擬它們的工作原理，研究人員需要一種可靠的方法來觀察心臟的運作。動物研究、計算機模型和各種用死亡心臟組織製成的實驗室模擬器都可以提供不同的視角，但這些方法可能很昂貴、缺乏複雜性或保質期有限。
因此，為了改進心臟研究，科學家們現在開發出一個跳動的、生物機器人複製品，它可以模擬健康器官和患病器官的運作。這個模擬器結合了豬心臟組織和軟體機器人肌肉，並在最近的兩項研究中進行了描述。
“想象一下實驗室工作臺上一個跳動的心臟，”麻省理工學院的生物醫學工程師、這些研究的資深作者艾倫·羅奇說。這個模擬器泵送的是透明液體而不是血液，它連線到測量血流、血壓等的儀器上。它也是可定製的：使用者可以改變心率、血壓和其他引數，然後透過內建攝像頭即時觀察這些變化如何影響心臟功能。
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該模擬器準確地複製了血液如何流過心臟——這是現有的使用死亡心臟組織的臺式模擬器無法做到的。使用來自豬的活體心臟組織，並透過機器人技術驅動，這讓羅奇的團隊獲得了更大的控制權。（豬心臟的大小和結構與人類心臟相似，常用於研究。）新的混合模擬器也可以比單獨使用的活體器官持續更長時間：在實驗室中連線到泵的豬心臟只能繼續跳動幾個小時，而羅奇的團隊能夠讓模擬器的合成肌肉運轉數月。研究人員尚未測量模擬器的確切極限。“我們需要進行可靠的耐久性疲勞測試，以準確瞭解這些東西可以進行多少個迴圈，”羅奇說。
當涉及到模擬血液流過心臟時，該器官的左右兩側各自都是一個挑戰。“它們需要非常定製的模型，”羅奇說。研究人員首先著手左側，重點是二尖瓣，它控制著左心房和左心室（心臟的上下腔室）之間的血流。他們重建了這個系統的健康運動，然後模擬了一種瓣膜洩漏的情況，稱為二尖瓣反流。為了證明該模型可以用作精確的模擬，該團隊讓心臟外科醫生用三種不同的外科干預措施糾正了瓣膜。這些結果在最近的兩項研究之一中進行了描述，該研究於週三發表在Device雜誌上。
“這是一個非常複雜的泵送運動，你必須創造出來，才能使血液以非常高的壓力和流量泵送到你的身體，”克拉拉·帕克說，她是這兩項研究的合著者，當時她是羅奇在麻省理工學院實驗室的博士生。
接下來，該團隊模擬了心臟右側的力學。“右心是相對更薄、更弱的肌肉，”帕克說，“它泵送的力度沒有那麼大。”右心模擬器可以複製健康和異常的功能。這些結果在該團隊的另一項近期研究中進行了描述，該研究於上個月發表在Nature Cardiovascular Research雜誌上。
莎拉·維格莫斯塔德是愛荷華大學的生物醫學工程師，她沒有參與這兩篇論文，她認為這些模擬器對於手術計劃、培訓或教育目的非常有價值。“我也能想象到它們在測試旨在治療二尖瓣反流或其他瓣膜疾病的新幹預措施方面的價值，”她說。她補充說，將心臟“調整”到複製各種疾病的能力在研究中也可能非常有用。
生物機器人方法依賴於活體動物組織，但羅奇夢想著完全3D列印的合成心臟。這樣的器官可以更加可定製。它甚至可以用於建立患者特異性模型，讓正在接受治療的人們能夠觀察自己跳動心臟的複製品，並指導醫生的決策。“我們正在轉向完全合成的模型[和]多材料列印，”她說，這將需要在實驗室中複製心臟組織本身。“有很多正在進行的工作。”