Un cœur robotique doux révolutionnaire pourrait transformer le traitement de l'insuffisance cardiaque terminale, nous rapprochant que jamais à des organes artificiels entièrement fonctionnels et biocompatibles.
Étude: un coeur hybride artificiel total robotique doux. Crédit d'image: Africa Studio / Shutterstock.com
Les chercheurs ont développé un cœur hybride artificiel total propulsé par la robotique douce, qui peut ouvrir de nouveaux horizons dans l'insuffisance cardiaque et la médecine de transplantation. L'article fournissant la première preuve de concept de cette nouvelle découverte est publié dans la revue Communications de la nature.
Sommaire
Arrière-plan
L'insuffisance cardiaque terminale est associée à un taux de mortalité élevé. La condition est traitable par la transplantation cardiaque; Cependant, l'indisponibilité des cœurs des donateurs est le principal inconvénient. Cette limitation a conduit au développement de cœurs artificiels totaux et de dispositifs d'assistance ventriculaire gauche.
Ces dispositifs artificiels présentent une mauvaise biocompatibilité car les matériaux utilisés pour les concevoir ne sont pas dérivés du corps du patient. De plus, ces appareils fonctionnent non physiques pour faire circuler le sang dans tout le corps. Ces facteurs peuvent induire une formation de caillots sanguins, ce qui peut par la suite entraîner des complications liées à la circulation sanguine.
Les drivelins percutanés, qui sont nécessaires pour alimenter et connecter les dispositifs cardiaques actuellement disponibles à une source externe, présentent un risque d'infection élevé et ont un impact significatif sur la qualité de vie d'un patient. Ces complications restreignent en grande partie l'utilisation clinique des cœurs artificiels totaux actuellement disponibles.
Dans la présente étude, les chercheurs ont développé un cœur artificiel total hybride, dans lequel le pouvoir de pompage provient de la robotique douce pour propulser le sang physiologiquement. Ils ont nommé l'appareil «Heart hybride».
Cœur hybride – Conception et principe de travail
Les chercheurs ont conçu cette nouvelle génération de cœurs artificiels totaux avec l'idée que l'appareil devrait imiter la structure et la fonction du cœur humain. Le cœur humain a deux chambres, les ventricules gauche et droite, qui sont séparés par un septum (un mur de division). La contraction synchrone des ventricules et du septum entraîne le sang éjecté des ventricules en circulation.
Comme le cœur humain, le cœur hybride contient deux chambres artificielles séparées par un muscle pneumatique doux (septum). Les ventricules et le septum sont composés de nylon recouverts de polyuréthane thermoplastique. Notamment, la conception comprend également plusieurs fils instantanés disposés en boucle fermée, qui jouent un rôle clé dans l'imitation des contractions coordonnées du cœur en distribuant des forces dans les deux ventricules.
Des revêtements supramoléculaires sont appliqués sur le matériau en nylon thermoplastique enrobé de polyuréthane pour améliorer la biocompatibilité.
Une pression atmosphérique positive ou négative est utilisée pour gonfler et dégonfler le septum. Lorsque le septum se gonfle pendant la systole, son diamètre interne augmente, permettant à plus de fil d'être enroulé autour de lui. Cela serre les ventricules pour éjecter le sang, comme un cœur naturel. Lorsque le septum se dégonfle pendant la diastole, les ventricules se remplissent passivement.
La longueur et le nombre spécifiques de fils autour de chaque ventricule peuvent être ajustés pour modifier le débit cardiaque de chaque chambre, permettant une adaptation aux exigences de différentes conditions ou maladies physiologiques. Cette réglage pourrait être importante pour faire correspondre l'appareil aux besoins individuels des patients, comme en cas d'hypertension pulmonaire.
Un mécanisme d'actionnement robotique doux fournit le profil de pression requis au septum du cœur hybride. Le mécanisme d'actionnement traduit les signaux de contrôle en actions physiques au sein d'un système. Ce mécanisme d'actionnement robotique doux ne dépend pas de l'électronique pour générer un rythme cardiaque; Au lieu de cela, il transforme de manière autonome et passive le débit constant d'une pompe à air continu en impulsions de pression qui créent le rythme cardiaque pour le cœur hybride.
Cependant, le système global comprend également des composants électroniques pour la puissance et le contrôle, en particulier dans les futures versions entièrement implantables.
Validation fonctionnelle
Les tests en laboratoire du cœur hybride dans des conditions physiologiques ont révélé que l'appareil imite la physiologie pompe du cœur humain, et son ventricule gauche peut pomper 5,7 litres de sang par minute (production cardiaque) à une fréquence cardiaque de 60 battements par minute. Étant donné que le débit cardiaque du ventricule gauche doit être plus élevé que le ventricule droit, le débit cardiaque du ventricule droit de l'appareil a été réglé à 5 litres par minute en ajustant la longueur des fils autour du ventricule droit.
Le cœur hybride a été testé en outre chez les animaux en implantant chirurgicalement l'appareil dans l'espace péricardique. L'appareil était responsable de tout le flux sanguin animal au cours d'une période de test de 50 minutes.
Le test animal était une expérience à court terme, pas un implant à long terme, fournissant une preuve de concept initiale pour la fonction de l'appareil in vivo.
Cependant, dans le test animal aigu, le débit cardiaque était inférieur à in vitro (environ 2,3 litres par minute à 65 bpm), reflétant la nature de preuve de concept à un stade précoce de l'appareil et les limitations techniques attendues.
Les résultats ont révélé que le matériau en nylon à revêtement en polyuréthane thermoplastique utilisé dans le cœur hybride est non toxique, présente une biocompatibilité améliorée et possède de puissantes propriétés antithrombogènes en raison de ses revêtements supramoléculaires.
Animal et in vitro Les tests ont démontré des réductions significatives de l'adhésion plaquettaire et de la thrombose par rapport aux matériaux non couvants, soutenant son potentiel de compatibilité sanguine à long terme.
Dans des expériences de laboratoire et d'animaux, un système pneumatique ouvert a été utilisé pour l'actionnement du cœur hybride. Cependant, un système de conduite à liquidités fermé entièrement implantable a été développé pour une utilisation clinique future. Ce système consistait en une pompe à air à débit continu implanté, un récipient d'air et un système d'actionnement robotique doux connecté au septum dans une boucle de circulation fermée.
Le système à fluides fermé a été intégré dans un système de transfert d'énergie transcutané (TET) pour fournir de l'énergie électrique à la pompe sans fil. La bobine TET externe, placée sur la peau du patient, a transmis la puissance à la bobine TET interne implantée sous-cutanée, tout en laissant la peau intacte.
Cette approche peut potentiellement réduire le risque d'infection et améliorer la qualité de vie des patients en leur permettant de se détacher temporairement d'une source d'énergie et de s'engager dans des activités telles que la douche ou la natation librement.
Les tests de ce système fluidique fermé ont révélé que lors de l'alimentation de la pompe à air à écoulement continu, le cœur hybride commençait automatiquement à battre à une fréquence cardiaque de 35 bpm et a produit un débit cardiaque relativement faible par rapport à celui produit par le système de conduite traditionnel.
Cette limitation a été attribuée à la puissance disponible du système TET dans les expériences initiales, qui n'était pas une barrière fondamentale à la technologie. La recherche a noté que l'augmentation de l'énergie d'entrée devrait améliorer le débit cardiaque et que les chercheurs travaillent actuellement à ce sujet.
De plus, le cœur hybride a montré des propriétés physiologiques adaptatives. La précharge et la sensibilité après la charge signifie que le cœur hybride peut ajuster sa sortie en réponse à la modification de la pression artérielle et des volumes, comme un cœur naturel. Ceci est réalisé passivement, imitant le mécanisme d'arrêt franche, par lequel le cœur augmente la production en réponse à une augmentation du remplissage sans avoir besoin de capteurs complexes ou d'électronique.
La conception permet également la configuration individuelle de l'appareil, tel que la modification de la longueur et de la position du fil, sur mesure pour répondre aux besoins individuels des patients.
Bien que la preuve de concept soit prometteuse, le travail en est encore à ses balbutiements. L'appareil a été construit sur des matériaux de prototypage plutôt que sur des composants de qualité médicale, et d'autres études animales à long terme seront nécessaires pour valider pleinement la sécurité, la durabilité et les performances de la technologie.
Avant toute application clinique, tous les composants clés, y compris la version entièrement implantable et les revêtements d'ingénierie tissulaire, nécessiteront des tests supplémentaires approfondis, y compris des études animales à long terme.
Importance
L'étude fournit la première preuve que les techniques robotiques douces peuvent développer avec succès un cœur artificiel total biocompatible capable de fournir un débit cardiaque adéquat dans des conditions physiologiques.
Le cœur hybride développé dans l'étude peut surmonter les lacunes des cœurs artificiels totaux actuellement disponibles, offrant potentiellement à la fois des surfaces anti-thrombogènes et un soutien à l'intégration des tissus.
À l'avenir, la technologie de revêtement pourrait être développée, par exemple, en incorporant des molécules qui encouragent activement les cellules du corps à coloniser l'appareil et à former une doublure intérieure fonctionnelle. Cette double approche pour réduire la coagulation sanguine et le soutien à l'intégration des tissus du corps pourrait réduire le besoin de thérapie anticoagulation à vie.
Bien que le cœur hybride ne soit pas encore prêt pour une utilisation clinique et nécessitera des tests et une optimisation supplémentaires, il montre comment la robotique douce et l'ingénierie biomimétique peuvent fournir des cœurs artificiels plus sûrs, plus fonctionnels et plus adaptables pour une insuffisance cardiaque terminale.
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