Полная замена отказавшего сердца механическим насосом на протяжении десятилетий была Святым Граалем для кардиохирургов. Первые попытки создания искусственного органа, полностью заменяющего сердце, были зафиксированы в 1960-х годах. Такие исследовательские программы были в академических центрах Японии, Западной Германии, Восточной Германии, Чехословакии, Советского Союза и США. Несмотря на большой энтузиазм, цель полной замены сердца была слишком амбициозной и обширной для той эпохи. И вот прошло больше полувека, и медицинские технологии сильно изменились, но проблема нехватки донорских сердец все еще не решена.
А зачем нам вообще искусственные сердца, если у нас не стоит цель создания киборга?
Согласно отчетам Всемирной организации здравоохранения, более 26 миллионов человек страдают от сердечно-сосудистых заболеваний. Из-за недостатка донорских сердец, многие пациенты умирают в ожидании спасительной пересадки. И тут на первый план выходит идея создания искусственного сердца, как сппособ помочь увеличить количество доступных органов для трансплантации.
Инженеры не оставили надежду придумать механизм, который полностью и надолго заменит человеческое сердце. Но большинство актуальных исследований направлены на создание устройства, которое продлит жизнь пациента до пересадки донорского органа. Обычно такое устройство называют механическим мостом к трансплантации сердца, что даже немного лирично.
Добро пожаловать в мир искусственных сердец из силикона, пластика и даже пены
Нет сомнений, что жить с искусственным сердцем — не то же самое, что с обычным. Но человеческое тело может приспособиться к невероятным вещам, — говорит кардиохирург и один из ведущих специалистов Cedars-Sinai Франсиско Аравия.
Доктор, а сердце, оно внутри или снаружи? | CardioWest
История создания механического сердца компании CardioWest началась в 1982 году, когда американский хирург Джек Коупленд начал разрабатывать механическое сердце, способное заменить неработающий орган у пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Вместе с инженерами из компании Thermo Electron Corporation он создал первый прототип, который прошел доклинические испытания. В 1985 году Коупленд и его команда основали компанию CardioWest Technologies, которая начала массовое производство механических желудочков. Первый такой аппарат был успешно имплантирован пациенту уже в 1986 году, и с тех пор CardioWest остается одной из ведущих компаний в области разработки и производства устройств вспомогательного кровообращения.
Механическое сердце CardioWest имеет очень простую конструкцию. Механизм обеспечивает пульсирующий поток крови за счет заполнения двух искусственных желудочков, выложенных изнутри полиуретаном. Кровь выбрасывается через четырехслойную подвижную диафрагму с пневматическим приводом. Желудочки соединяются с кровеносной системой пациента пришивными манжетами.
Сам двигатель располагается вне тела пациента, но сама конструкция протеза занимает достаточно много места в грудине — более 400 мл объема. Это ограничивает возможность имплантации многим пациентам, в основном женщинам и подросткам. При этом максимальный ударный объем сердца — 70 мл.
У меня большое сердце — 2 кг | AbioCor
Первоначально исследователи американской компании ABIOMED планировали создать устройство, которое могло бы заменить только левый желудочек сердца, но после нескольких неудачных попыток было решено разработать полностью искусственное сердце. AbioCor стал первой системой искусственного сердца, не требующей подачи питания через кожу пациента. Хотя расположение насоса внутри грудной клетки способствует снижению риска инфекций, в то же наблюдается большая масса имплантируемых компонентов — в общей сложности почти два килограмма.
После серии успешных тестов на животных в 2001 году была проведена первая операция по установке AbioCor человеку. Еще четырнадцать пациентов с сердечной недостаточностью в терминальной стадии получили устройство в ходе клинических испытаний. И несмотря на смерть всех участников исследований, результаты вселяли разумный оптимизм.
Несколько пациентов смогли выписаться из больницы и находились под амбулаторным наблюдением.
Один пациент прожил с искусственным сердцем более одного года, но не дождался донорского органа.
Однако вскоре проект был закрыт из-за высокой стоимости устройства и ограниченной доступности для широкой публики.
О, сердце разрывается на части... | Carmat
Система искусственного сердца Carmat предназначена для людей, которым планируется трансплантация органа в течение 180 дней. Да, производители честно заявляю, что на больший срок и не рассчитывают.
Этот проект существенно отличается от других моделей искусственных сердец тем, что не требует регулировки при изменении интенсивности физической нагрузки человека. Устройство состоит из двух желудочков, каждый с отсеком для крови и для рабочей жидкости. Их разделяет гибкая мембрана с полиуретановым слоем и волокнами бычьего перикарда для контакта с разными средами.
Первые клинические испытания системы искусственного сердца Carmat были проведены в 2013 году во Франции. В ходе испытаний устройство было успешно установлено у 7 пациентов с тяжелой сердечной недостаточностью, однако уже через несколько месяцев устройство начинало разрушаться. Лишь один из пациентов в ходе первого этапа испытаний прожил полгода и более. Вскоре компания отозвала все изделия и почти два года дорабатывала технологию, чтобы в 2018 году вновь получить разрешение на дальнейшие имплантации. Сейчас это один из немногих искусственных сердец, которое можно встретить на рынке, однако у врачей это изобретение все еще вызывает сомнения.
Силиконовый мир победил?!
Исследователи из Высшей технической школы (ETH), Цюрих, в 2017 году разработали технологию отливки полностью функционального искусственного сердца. Орган со всеми анатомическими особенностями производился с помощью 3D-принтера и мягкого силикона. Перекачка жидкости и сокращения обеспечивались за счет воздушных насосов.
Техника выполнения была безупречной, но исследователей подвел выбор материалов. В условиях, приближенных к реальным, силиконовое сердце выдерживало около трех тысяч сокращений — в норме меньше часа. Несмотря на большой успех этой разработки, в научных журналах мы не нашли новой информации об этом проекте.
Ученые слепили из того, что было
Ученые из Корнелльского университета в рамках эксперимента создали из мягких материалов "самое мощное искусственное сердце в мире". Пенообразный и высокоэластичный силикон позволяет прокачивать больший объем жидкости нежели другие материалы искусственных сердец.
Команда протестировала вспененный силикон на сгибание и разгибание, а затем построила простую модель человеческого сердца. У него всего две камеры, и сжатый воздух заставляет материал сгибаться и перекачивать жидкость внутри. И несмотря на то, что этот проект был побочным, и основное исследование касалось разработки мягких роботов (Soft robotics), ученых заинтересовал вопрос использования подобной технологии в медицине.
Этот текст собирался по кусочкам в попытке понять, какие недостатки есть в новейших разработках и давно использующихся в клинической практике устройствах. В это время команда Biomap продолжает работать над собственным проектом искусственного сердца. У нас получилось сделать полную функциональную реплику сердца из плотного силикона на основе платины.
Сейчас технические специалисты заканчивают работу над прототипом насоса, имплантируемого внутри камеры сердца. Он будет объемистым, что позволит предотвратить разрушение эритроцитов во время процесса кровообращения. Кстати, немного про технические характеристики: сейчас по нашим расчетам прототип способен работать внутри тела более трех лет. Впереди ждут многочисленные испытания и тесты, постараемся потихоньку делиться результатами.
Если вам хочется следить за нашими разработками и в целом за жизнью наукоемкого производства - заходите в наш Telegram. Там мы оперативно рассказываем о новых идеях и показываем тестовые разработки.
И, как всегда, спасибо всем пикабушникам, которые дочитали до конца!