【参赛作品】“三项全能”的模拟心脏

从扁鹊为鲁公扈和赵齐婴二人施行换心术的古代传说,到电影《钢铁侠》中机械心脏的科幻构想,对于心脏的模拟和再造一直是人类的梦想。而如今,这种梦想即将变为现实。

哈佛大学工程与应用科学学院的Conor Walsh研究小组,近期发明了一种基于软物质的模拟心脏。这种设计工艺简单且造价低廉的“心脏”,不仅能够模拟心脏的多种行为,还能通过计算机对于心脏的响应进行三维监控。该研究工作以“A Bioinspired Soft Actuated Material”为题,作为封面文章发表在《Advanced Materials》期刊上。

材料的选取与构建,是制作“模拟心脏”的关键因素。研究者们选择改性的充气式人造肌肉 (PAM) 作为“模拟心脏”的“心肌纤维”。PAM的构建方法非常简单:通过3D打印技术制造的模具将硅橡胶制成管状结构,包覆高分子网络,形成充气系统;在压力的作用下,PAM能够像肌肉一样进行收缩,从而模拟“心肌纤维”。将PAM填充到同样由硅橡胶制成的“心形”模具内,使之形成阵列状的螺旋排列——一个“模拟心脏”就随之诞生了(图A)。

 

这个“模拟心脏”具有三个潜在的功能,可谓“三项全能”。

 

功能一:模拟 纠结的心

心脏的收缩,其实是心肌“扭动”的过程,即心尖的逆时针扭动和心底的顺时针扭动造成心脏的“纠结”(图B)。心脏扭动式的收缩,是其高效供血的主因之一。由于PAM能感知微小的压力,并且具有极短的响应时间(约0.05秒),所以当“模拟心脏”扭曲时,PAM能够很好地反映“模拟心脏”的形变以及由形变产生的应力(图C)。

研究者们针对“模拟心脏”的形变进行了建模计算,并施行了三维成像拟合(图D),其结果和近期的医学报导非常接近,这就为体外模拟心脏运动提供了可能。同时,当今的心脏模拟系统大都只是二维结构,而“模拟心脏”却将其拓展到了三维尺度。

 

功能二:模拟心脏病变

除了研究心脏的形变,模拟心脏的“病变”则更贴近人们的生活。例如,当左心房由于感染而造成损伤,其心肌的扭动就会不足甚至停止。研究者通过技术手段,使得“模拟心脏”中的一部分PAM不发生扭曲,形成一个“生病的模拟心脏”。这样就能针对在病变状态下的心脏运动进行研究。由于“模拟心脏”的可控性,通过改变不发生扭动的PAM的条数,就能够特异性的研究不同程度的心脏病变。

 

功能三:进行器官移植

以PAM为基础,不仅能制造“模拟心脏”,更为其他的人造器官提供了可能。本研究的主要贡献者Ellen Roche在接受哈佛大学采访时说:“模拟心脏只是未来工作的基础,我们要通过后续的改进步骤,将其发展成为一种具有很高生物相容性的可移植器官。”

也许在不远的将来,这种“三项全能”的模拟心脏,真的能使心脏的完全再造成为现实。

选材出处A Bioinspired Soft Actuated Material