麻省理工学院的仿生'心脏'由心脏组织和机器人泵送系统像真实的东西一样跳动

柔软机器人执行器的合成矩阵的特写镜头可以缠绕在脑室周围并充气，以挤压并扭曲心脏，以与真正的心脏泵血相同。

由于预计未来十年的老年人口将气球出现气球，因此美国的心脏病率也是如此。对假肢心脏瓣膜和其他心脏装置的需求 - 今天的价值超过50亿美元的市场 - 预计未来六年将增加近13％。

假肢阀门设计用于模仿真实的健康的心脏瓣膜，帮助循环血液通过身体。然而，许多人在阀门周围泄漏等问题，致力于改善这些设计的工程师必须重复测试它们，首先在达到人类试验之前，在动物科目中首先在动物科目中进行测试 - 这是一个艰苦和昂贵的过程。

现在，麻省理工学院和其他地方的工程师已经开发出一种仿生的“心脏”，为测试人造阀和其他心脏装置提供了更现实的模型。

该装置是真正的生物心脏，其坚韧的肌肉组织已被人造心肌肌肉的软机械组织更换，类似于泡沫包装。人工肌肉的方向模仿了心脏天然肌肉纤维的模式，使得当研究人员远程膨胀气泡时，它们共同挤压并扭曲内心，类似于真实，全心跳的方式并泵血。

通过这种新设计，他们称之为“生物毒性混合心”，研究人员设想，通过在生物红外心脏上测试，设备设计师和工程师可以更快地迭代和微调设计，显着降低了心脏装置开发的成本。

“对心脏装置的监管检测需要许多疲劳测试和动物测试，”麻省理工学院机械工程助理教授艾伦罗切说。“[新设备]可以现实地代表真实的心中发生的事情，以减少动物测试的量或更快地迭代设计。”

Roche和她的同事们在科学机器人学中发表了他们的结果。她的共同作者是领导作者和麻省理工学院研究生克拉拉公园，以及叶林粉丝，格雷戈尔·赫格兰克，炫酷，艾丽森·罗哈，艾莉森·罗哈，以及麻省理工学院，以及南洋科技大学的合作者，皇家外科医院在都柏林，波士顿的儿童医院，哈佛医学院和马萨诸塞州综合医院（MGH）。

“心脏的力学”

在来到麻省理工学院之前，Roche在生物医学行业中短暂工作，有助于在实验室中的人造心脏模型上测试心脏病。

“当时我没有觉得这些台式设施的任何一个都代表了心脏解剖学和生理生物力学，”Roche召回。“在设备测试方面有一个未满足的需求。”

在单独的研究中作为她在哈佛大学博士工作的一部分，她开发了一种柔软，机器人，植入的套筒，旨在缠绕在整个活的心脏上，帮助它患有心力衰竭的患者的血液。

在麻省理机，她和公园想知道他们是否可以结合两项研究途径，开发一个混合心脏：一颗心脏，这些内心是化学保存的，脱盐的心脏组织，部分是有助于心脏泵血的软泵血液。他们提出的这种模型应该是一种更现实和耐用的环境，用于测试心脏装置，与完全人为的模型相比，但不要捕获心脏复杂的解剖学，或者由真正的突然的心脏制成，需要高度控制条件保持组织活着。

该团队简要考虑了一个整体，突然的机器人袖子，类似于罗氏的先前工作，但实现了心脏的外部肌肉组织，心肌，当从身体中取出时快速加强。袖子的任何机器人收缩都无法与内心充分平移。

相反，团队寻找设计软机器矩阵的方法，以更换心脏的天然肌肉组织，两种材料和功能。他们决定首先在心脏的左心室里尝试他们的想法，心脏的四个室中的一个，血液泵到身体的其余部分，而右心室使用少量力来将血液泵送到肺部。

“左心室是更难以重新创造的，因为它更高的操作压力，我们喜欢从艰难的挑战开始，”Roche说。

心脏，展开

通过挤压和扭曲，心脏通常泵送血液，这是一种复杂的动作组合，这是肌纤维沿着外部心肌的对准，覆盖每个心脏的心室。该团队计划制造类似于可充气气泡的人工肌肉矩阵，在天然心肌的方向上对齐。但是通过研究心室的三维几何形状来复制这些模式，证明了非常具有挑战性。

他们最终遇到了螺旋心室心肌乐队理论，心肌基本上是一个大螺旋带，围绕着每种心脏的心室。这一理论仍然是一些研究人员辩论的主题，但罗氏和她的同事将其作为灵感为灵感。该团队决定从3D角度来复制左心室的肌肉纤维方向，而不是试图从3D角度复制左心室的肌肉纤维方向，并将其拆开血管外部肌肉组织，并使它形成长，平坦的带 - 一个应该更容易重新创建的几何形状。在这种情况下，他们使用来自外植入的猪心脏的心脏组织。

研究人员使用扩散张量成像，一种先进的技术，通常跟踪水在大脑中的白质的先进技术，以映射左心室的微观纤维导向，左心室的垂直，二维肌肉带。然后，它们制造了由薄的空气管制成的人造肌纤维的基质，每个人工肌纤维由一系列充气口袋或气泡，它们在成像肌纤维之后图案化的取向。

软质矩阵由两层硅树脂组成，在它们之间具有水溶性层，以防止层粘附，以及两层激光切割纸，这确保了气泡以特定的取向膨胀。

研究人员还开发了一种新型的生物粘性，可以将泡沫包裹粘在心室的真实，心内膜组织中。虽然存在彼此粘合生物组织的粘合剂，但对于彼此的硅胶等材料，该团队实现了少量软粘合剂，使得具有合成材料，特别是硅树脂的生物组织的足够工作。

因此，罗氏与赵某合作，在麻省理工学院机械工程副教授，他专注于开发水凝胶基粘合剂。通过在化学交联过程中官能化硅氧烷来制备新的粘合剂，称为组织中，用心脏组织中的组分键合。结果是研究人员刷在软机器人基质上的粘性液体。他们还将胶水刷新到新的脱盐猪心脏上，该猪心脏被移除，但其内膜结构保存。当它们围绕这种组织包裹人造肌肉基质时，两个紧密粘合。

最后，研究人员将整个混合心脏放入模具中，他们以前铸造了原始的，全心全意，并用硅树脂填充模具，以将杂种心脏包装在均匀的覆盖物中 - 产生类似于真实的形式的步骤心脏并确保机器人泡沫缠绕在真正的心室周围紧密贴合。

“那样，你不会失去从合成肌肉到生物组织的运动的传播，”罗氏说。

当研究人员以类似于天然跳动的心脏的频率泵入气泡包裹时，并成像仿生心脏的反应时，它以类似于真实心脏移动通过身体泵浦血液的方式收缩。

最终，研究人员希望利用仿生心作为现实环境，帮助设计人员测试假肢阀门的心脏装置。

“想象一下，心脏病植入前的患者可以扫描心脏病，然后临床医生可以调整装置在手术前良好地在患者上最佳地进行，”Nyugen说。“此外，通过进一步的组织工程，我们可能会看到生物毒性杂交心脏被用作人造心脏 - 一个非常需要的潜在解决方案给予全球心力衰竭流行病，其中数百万人处于竞争性心脏移植名单的怜悯。”

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。