工程师设计了右心室的机器人复制品

现实的模型可以帮助开发更好的心脏植入物，并为尚未充分研究的心脏疾病提供线索。麻省理工学院的工程师开发了心脏右心室的机器人复制品，模仿活体心脏的跳动和泵血动作。

机器人心室将真实的心脏组织与合成的气球状人造肌肉结合在一起，使科学家能够控制心室的收缩，同时观察其天然瓣膜和其他复杂结构的功能。

人工心室可以调整以模仿健康和患病状态。研究小组操纵该模型来模拟右心室功能障碍的情况，包括肺动脉高压和心肌梗塞。他们还使用该模型来测试心脏设备。例如，研究小组植入了一个机械瓣膜来修复自然故障的瓣膜，然后观察心室的泵血响应如何变化。

他们说，新的机器人右心室(RRV)可以用作研究右心室疾病和测试旨在治疗这些疾病的设备和疗法的现实平台。

麻省理工学院医学工程与科学研究所(IMES)的博士后ManishaSingh表示：“在重症监护病房中，右心室特别容易出现功能障碍，尤其是接受机械通气的患者。”“RRV模拟器将来可用于研究机械通气对右心室的影响，并制定预防这些弱势患者右心衰竭的策略。”

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辛格和她的同事在《自然心血管研究》上发表的一篇开放获取论文中报告了新设计的细节。她的合著者包括IMES核心成员、麻省理工学院机械工程系研究副主任EllenRoche副教授;与麻省理工学院的JeanBonnemain、CaglarOzturk、ClaraPark、DiegoQuevedo-Moreno、MeaganRowlett和YilingFan一起;马萨诸塞州总医院的布赖恩·艾尔斯;克利夫兰诊所的ChristopherNguyen;和波士顿儿童医院的莫萨布·赛义德。

节奏的芭蕾

右心室是心脏的四个腔室之一，另外还有左心室、左右心房。在四个心室中，左心室是举重者，因为其厚实的锥形肌肉组织是为了将血液泵送到整个身体而构建的。罗奇说，相比之下，右心室就像一个“芭蕾舞演员”，因为它处理较轻但同样重要的负荷。

“右心室将脱氧血液泵送到肺部，因此不必用力泵送，”罗氏指出。“它是更薄的肌肉，具有更复杂的结构和运动。”

这种解剖结构的复杂性使得临床医生很难准确观察和评估心脏病患者的右心室功能。

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辛格说：“传统工具通常无法捕捉右心室复杂的力学和动态，从而导致潜在的误诊和治疗策略不足。”

为了加深对鲜为人知的心室的了解并加快开发治疗其功能障碍的心脏装置，该团队设计了一个现实的功能性右心室模型，该模型既能捕捉其复杂的解剖结构，又能重现其泵血功能。

该模型包括真实的心脏组织，该团队选择将其纳入其中，因为它保留了过于复杂而无法合成复制的自然结构。

“有薄而小的腱索和瓣膜小叶，具有不同的材料特性，它们都与心室肌肉协调移动。尝试铸造或打印这些非常精致的结构非常具有挑战性，”罗奇解释道。

心脏的保质期

在这项新研究中，研究小组报告移植了猪的右心室，并对其进行了仔细处理以保留其内部结构。然后，他们将硅胶包裹在其周围，充当柔软的合成心肌或肌肉内层。在该衬里内，研究小组嵌入了几个长的、气球状的管子，这些管子环绕着真正的心脏组织，其位置是通过计算模型确定的，最适合再现心室的收缩。研究人员将每根管子连接到一个控制系统，然后将其设置为模仿心脏真实节律和运动的速率对每根管子进行充气和放气。

为了测试其泵送能力，研究小组向模型注入了粘度与血液相似的液体。这种特殊的液体也是透明的，允许工程师用内部摄像头观察心室泵送液体时内部阀门和结构如何反应。

他们发现，人工心室的泵血能力及其内部结构的功能与他们之前在活体健康动物中观察到的相似，表明该模型可以真实地模拟右心室的动作和解剖结构。研究人员还可以调整泵管的频率和功率，以模拟各种心脏状况，例如心律不齐、肌肉无力和高血压。

“从某种意义上说，我们正在以一种我们可以研究并可能治疗其功能障碍的方式使心脏恢复活力，”罗奇说。

为了证明人工心室可用于测试心脏装置，研究小组通过手术植入了各种尺寸的环形医疗装置，以修复心室的三尖瓣——一种叶状单向瓣膜，可让血液进入右心室。当该瓣膜渗漏或身体受损时，可能会导致右心衰竭或心房颤动，并导致运动能力下降、腿部和腹部肿胀以及肝脏肿大等症状。

研究人员通过手术操纵机器人心室的瓣膜来模拟这种情况，然后通过植入机械瓣膜来替换它，或者使用不同尺寸的环形装置对其进行修复。他们观察了哪种装置在心室继续泵血时改善了心室的液体流动。

“RRV能够准确复制三尖瓣功能障碍，成为外科医生和介入心脏病专家的理想训练场，”Singh说。“他们可以在我们的模型上练习新的手术技术来修复或更换三尖瓣，然后再对实际患者进行手术。”

目前，RRV可以在几个月内模拟真实的功能。该团队正在努力扩展该性能，并使模型能够连续运行更长时间。他们还与可植入设备的设计者合作，在人工心室上测试他们的原型，并可能加快其到达患者的速度。展望未来，罗氏计划将RRV与类似的左心室人工功能模型配对，该团队目前正在对该模型进行微调。

罗氏说：“我们设想将其与左心室配对，制造出完全可调节的人造心脏，它可能在人类身上发挥作用。”“我们还需要很长一段时间，但这就是总体愿景。”

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