前沿 | 完全人工制造的心臟:離你的胸腔已經(jīng)不遠(yuǎn)

 
在工程學(xué)的角度看來，人的心臟是一個奇跡。在成年人胸腔的心臟，心肌平均每天搏動近十萬次，主動脈泵血后，通過動脈向全身輸血，包括大腦分支及腳趾。

   由于心臟復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)，生物醫(yī)學(xué)工程師需要耗費漫長的時間來建造一個機(jī)械復(fù)制品，使用人工心臟來保持心力衰竭患者良好地活下去。自20世紀(jì)50年代以來，雄心勃勃的研究人員試圖建造人工心臟，但頻頻出現(xiàn)障礙?，F(xiàn)在，四家公司認(rèn)為他們找到了正確的技術(shù)，他們試圖證明這個技術(shù)。臨床試驗和動物試驗終于證明性人工心臟的可靠性，已準(zhǔn)備于2017年應(yīng)用于臨床。

 目前，僅在美國約 570 萬人診斷為心力衰竭，意味著他們的心臟將逐漸變得無法有效泵血。一些病情嚴(yán)重的患者加入了心臟移植手術(shù)的等待名單，但由于捐贈的心臟稀少，許多患者在等待中死亡。

 來自美國亞利桑那州的 SynCardia 系統(tǒng)的人工心臟已經(jīng)被美國監(jiān)管部門批準(zhǔn)為"移植橋梁"，現(xiàn)在該公司正在招募患者進(jìn)行臨床試驗，將該設(shè)備作為替代品進(jìn)行測試。SynCardia 公司 CEO Michael Garippa 說，這項試驗的范圍很小，只有 28 名患者。此前，已經(jīng)有超過 1600 個短時間安置人工心臟的患者證明 SynCardia 心臟是安全的。

圖片為 Syncardia 系統(tǒng)。Syncardia 心臟作為解決方案已經(jīng)應(yīng)用于臨床，等待需要移植的患者?，F(xiàn)在正在測試 Syncardia 心臟是否能夠替換。

  Garippa 相信，基于設(shè)備簡單性的設(shè)計，SynCardia 心臟是耐用的。他說:"病人身體內(nèi)沒有任何電子元件"。SynCardia 的心臟有兩個塑料腔室，來模仿心臟。每個塑料腔室被一層膜分為兩部分，一部分是具有空氣的心室而另一部分是具有血液的心房。具有 SynCardia 心臟的患者攜帶 6 千克的空氣壓縮機(jī)，壓縮機(jī)連接著穿過腹部的管道，將空氣輸送到兩個心室，通過推動它們的膜以推動另一側(cè)心房的血液泵出。壓縮機(jī)以每分鐘 120 次的穩(wěn)定速率工作，但伴有響亮的聲音。"這雖然不是正常人的生活，但它的跳動方式比心衰患者以前的心臟跳動更強(qiáng)健。"Garippa 說到。

圖片為具有 Syncardia 心臟的患者需要攜帶一個 6 公斤箱子，箱子里面是電池和驅(qū)動氣動泵的空氣壓縮機(jī)。

    GIF為 SynCardia 心臟保持搏動的過程:在 SynCardia 心臟里面，空氣推動膜運動，繼而推動另一側(cè)血液泵出。

法國一家名為 Carmat 的公司希望把人工心臟做得更好。"我們的系統(tǒng)非常安靜"，Carmat 的首席醫(yī)療負(fù)責(zé)人 Piet Jansen 說到。Carmat 心臟像 SynCardia 的設(shè)備一樣，也有兩個人工腔室，通過膜片向外按壓泵血。Carmat 心臟使用植入泵，將液壓流體替代壓縮空氣來驅(qū)動膜片。雖然 Carmat 的心臟比 SynCardia 的設(shè)備更大，更重，更復(fù)雜，但它具有感應(yīng)器能夠根據(jù)患者的運動水平來計算患者適合的心率并通過微處理器來改變心率，Carmat 的設(shè)計師為這一項設(shè)計而感到自豪。電線需要從患者背部繞到頸部連接3 kg 的電池組。

圖為 Carmat 人工心臟，Carmat 人工心臟的操作原理與 Syncardia 設(shè)備類似，但是 Carmat 系統(tǒng)是使用液壓流體代替空氣泵輸送血液。

 Carmat 的個可行性研究似乎是曲折的:四個病人中有兩個在三個月內(nèi)死亡。行業(yè)分析師 Andrew Thompson，近撰寫了一篇關(guān)于人工心臟的報告，他說這些患者極度虛弱，他們的離世，并不是設(shè)備的故障，是因為患者身體的原因。

  歐洲監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)批準(zhǔn)了 Carmat 在今年 8 月推出的主要臨床試驗。監(jiān)管機(jī)構(gòu)一定會批準(zhǔn)該公司接下來的實驗，Carmat 外科醫(yī)生預(yù)計于 2017 年年底將其裝置植入約 20 名患者體內(nèi)，并希望在 2018 年，其人工心臟能夠被認(rèn)證為歐洲人的性替代裝置。 另外兩家公司尚未進(jìn)入臨床試驗階段，這兩家公司采用的技術(shù)方法，專家認(rèn)為更具有發(fā)展前景。兩家公司都拒絕使用膜來推動血液，而是使用具有旋轉(zhuǎn)功能的離心泵，通過扇形葉片的旋轉(zhuǎn)將血液推向前方，通過動脈運輸恒定的血流量。基于 Cleveland Clinic 開發(fā)的技術(shù)，Cleveland Heart 的人工心臟在 201 5年植入了兩只小牛體內(nèi)，進(jìn)行了為期 90 天的試驗，小牛依舊健康地活著。在美國德克薩斯州，一家名為 Bivacor 的公司目前正在與德克薩斯心臟研究所合作，在小牛體內(nèi)進(jìn)行 90 天的研究。兩家公司仍在調(diào)整他們的設(shè)計面向于人類進(jìn)行試驗。

圖為來自美國德克薩斯州的 Bivacor 公司的人工心臟，它在小牛中進(jìn)行測試。
 

GIF 為 Bivacor 心臟保持搏動的過程:Bivacor 心臟用安裝在共同輪轂上的兩個離心式葉輪推動血液，該輪轂通過磁懸浮保持懸浮狀態(tài)。 Gianluca Torregrossa 是一名心臟外科醫(yī)生，他已經(jīng)植入了 SynCardia 設(shè)備，并記錄了人工心臟研究的進(jìn)展，他急切地觀察 Carmat 和 Bivacor 這兩家公司。Torregrossa 說，兩家公司"連續(xù)流動"的設(shè)計更加優(yōu)良 , 如果兩家公司的設(shè)備移動部件更少的話，將會有更好的未來。

 當(dāng)涉及臨床試驗時，所有的技術(shù)必須在非常艱難的情況下證明自己。SynCardia 公司的 Garippa 說:"醫(yī)生不希望將患者轉(zhuǎn)診到科學(xué)項目，除非患者已經(jīng)別無選擇。如果該技術(shù)適用于這些病重患者，那便可證明這是可靠的人工心臟。2017 年的試驗終于可以證明人類所創(chuàng)造的奇跡，這是一項工程學(xué)奇跡，而不是生物學(xué)奇跡。