umělé srdce

umělé srdce

souvislosti

přirozené srdce má dvě čerpadla, každá se dvěma komorami. Pravá síň pumpuje krev vyčerpanou kyslíkem z těla do pravé komory, která ji pumpuje do plic. Levá síň vysílá provzdušněnou krev z plic do levé komory, která ji pumpuje do těla. S každým srdečním rytmem se obě síně stahují dohromady, následované velkými komorami.

městnavé srdeční selhání, které je neustále klesající schopností srdce pumpovat krev, je jednou z hlavních příčin úmrtí. Toto onemocnění je způsobeno náhlým poškozením infarktu, zhoršením virových infekcí, poruchami chlopně, vysokým krevním tlakem a dalšími problémy. Podle American Heart Association žije odhadem pět milionů Američanů se srdečním selháním a každý rok je diagnostikováno více než 400 000 nových případů. Asi 50% všech pacientů zemře během pěti let. Srdeční onemocnění stálo zdravotnictví Spojených států v roce 1998 asi 95 miliard dolarů.

ačkoli léky a chirurgické techniky mohou pomoci kontrolovat příznaky, jediným lékem na srdeční selhání je transplantace orgánů. V roce 1998 bylo asi 7 700 Američanů na národním seznamu transplantací srdce, ale pouze 30% dostalo transplantace. Umělá srdce a čerpadla asistenční zařízení byly proto vyvinuty jako potenciální alternativy.

umělé srdce udržuje krevní oběh a okysličení srdce po různou dobu. Ideální umělé srdce musí bít 100 000krát každých 24 hodin bez nutnosti mazání ani údržby a musí mít konstantní zdroj energie. Musí také pumpovat rychleji nebo pomaleji v závislosti na aktivitě pacienta, aniž by způsobil infekci nebo krevní sraženiny.

dva hlavní typy umělých srdcí jsou stroj srdce a plic a mechanické srdce. První typ se skládá z okysličovadla a pumpy a používá se hlavně k udržení průtoku krve při provozu srdce. Tento stroj může pracovat pouze několik hodin, protože krev se po delší době poškodí.

mechanické srdce je navrženo tak, aby snížilo celkové pracovní zatížení srdce, které již nemůže pracovat na své normální kapacitě. Tato srdce se skládají ze zařízení, které pulzuje krev mezi srdečními rytmy nebo používá umělou pomocnou komoru (zařízení pro asistenci levé komory, LVAD), které pumpuje část normálního srdečního výdeje. Protože taková zařízení obvykle vedou ke komplikacím pro pacienta, obvykle se používají jako dočasná náhrada, dokud nelze získat přirozené srdce pro transplantaci. Celosvětově bylo implantováno asi 4 000 LVAD. Trh s těmito zařízeními se ve Spojených státech odhaduje na 12 miliard dolarů ročně.

historie

od konce devatenáctého století se vědci pokusili vyvinout mechanické zařízení, které by mohlo obnovit kyslík do krve a odstranit nadměrný oxid uhličitý, stejně jako čerpadlo, které dočasně nahradí srdeční činnost. Trvalo téměř 100 let, než první úspěšný stroj na plíce srdce použil na člověka John H.Gibbon Jr. v roce 1953. O čtyři roky později bylo do psa implantováno první umělé srdce (vyrobené z plastu) v západním světě. Národní institut srdce

založil program umělé srdce v roce 1964, což vedlo k prvnímu úplnému umělému srdci pro lidské použití implantovanému v roce 1969.

důraz se v roce 1970 přesunul na asistenční systémy levé komory a materiály kompatibilní s krví. Během téhož roku byl LVAD úspěšně použit. Vývoj krevní pumpy však pokračoval a zařízení se zmenšovala, lehčí, přijatelnější a klinicky úspěšná. Byla také vyvinuta řada polyuretanových a plastových čerpadel s dlouhou dobouživot. Během 1980, Food and Drug Administration (FDA) uložila přísnější pravidla zákona o zdravotnických prostředcích norem, což vede k vyšším nákladům na vývoj. Mnoho výzkumných skupin muselo vypadnout, dnes zbývá jen několik.

snad nejslavnějším vědcem je Dr. Robert Jarvik, který vynalezl umělé srdce zvané Jarvik-7. Toto zařízení, vyrobené z hliníku a plastu, nahradilo dvě spodní komory přirozeného srdce a použilo dvě gumové membrány pro čerpací akci. Externí kompresor o velikosti chladničky udržoval umělé srdce. Barney Clark byl prvním pacientem, který dostal toto srdce. Přežil 112 dní, než mu fyzické komplikace způsobené implantátem vzaly život. V roce 1986 se William Schroeder stal druhým příjemcem Jarvik-7, který přežil asi 20 měsíců.

lékařská komunita si uvědomila, že zcela implantovatelné srdce by se mohlo vyhnout problémům s pohyblivostí a infekcí způsobeným Jarvik-7. V roce 1988 začaly národní zdravotní ústavy financovat rozvoj takových srdcí a v roce 1991 podporovaly takový program v celkové výši 6 milionů dolarů. O tři roky později byl k dispozici elektrický a bateriový implantovatelný LVAD. V roce 1999 se Charlie Chappis stal prvním pacientem, který byl s takovým zařízením propuštěn z nemocnice. V současné době se testují další umělá srdce různých vzorů.

suroviny

umělé srdce nebo LVAD jsou vyrobeny z kovových, plastových, keramických a zvířecích částí. Pro čerpadlo a další kovové části se používá slitina titan-hliník-vanad, protože je biokompatibilní a má vhodné strukturální vlastnosti. Titanové části jsou odlévány na specializovaném titanovém procesoru. Kromě povrchů kontaktujících krev je titan obroben na konkrétní povrchovou úpravu. Povrchy kontaktující krev dostávají speciální povlak titanových mikrosfér, které se trvale spojují s povrchem. S tímto povlakem se krevní buňky drží na povrchu a vytvářejí živou podšívku.

membrána pro styk s krví uvnitř pumpy je vyrobena ze speciálního typu polyuretanu, který je také texturován, aby zajistil adherenci krevních buněk. Dva trubkové štěpy jsou vyrobeny z polyesteru (které se používají k připojení zařízení k aortě) a ventily jsou skutečné srdeční chlopně odstraněné z prasete. Ostatní části, které tvoří motor, jsou vyrobeny z titanu nebo jiných kovů a keramiky.

Design

při navrhování LVAD existuje několik kritických problémů. Dynamika proudění krve musí být chápána tak, aby bylo čerpáno dostatečné množství krve a nevytvářely se žádné krevní sraženiny. Musí být vybrány materiály, které jsou biokompatibilní; jinak by čerpadlo mohlo selhat. Účinnost motoru musí být optimalizována tak, aby se generovalo minimální teplo. Z důvodu možného odmítnutí by měl být celkový objem a plocha celého zařízení udržována co nejmenší. Typický LVAD váží kolem 2.4 lb (1200 gm) a má objem 1.4 Pinty (660 ml).

výrobní proces

• 1 většina součástí je vyrobena podle vlastních specifikací výrobci třetích stran, včetně strojů a výrobců desek plošných spojů. Prasečí chlopně jsou šité uvnitř štěpů stehy ve firmě zdravotnických prostředků, která se specializuje na srdeční chlopně.

  po získání všech součástí je systém LVAD sestaven a testován, aby bylo zajištěno, že každé zařízení splňuje všechny SPECIFIKACE. Po testování může být LVAD sterilizován a zabalen pro přepravu.

tváření polyuretanových dílů

• 2 Někteří výrobci umělých srdcí vyrábějí vlastní polyuretanové díly. Jeden proces používá proprietární kapalný roztok, který se nalije na keramickou vrstvu trnu po vrstvě. Každá vrstva se zahřívá a suší, dokud se nedosáhne požadované tloušťky. Část se pak vyjme z trnu a zkontroluje se. V opačném případě výrobce třetí strany používá proces vstřikování nebo vakuového tvarování v kombinaci s vysokofrekvenčním svařováním.

sestava

• 3 každé umělé srdce trvá několik dní, než se dá dohromady a otestuje. Proces montáže se provádí v čisté místnosti, aby se zabránilo kontaminaci. Každé umělé srdce se skládá až z 50 komponent, které jsou sestaveny pomocí speciálních lepidel. Tato lepidla vyžadují vytvrzování při vysokých teplotách. Paralelně probíhá několik montážních operací, včetně montáže skříně a součástí motoru, montáže perkutánní trubice a připevnění tlačných desek k polyuretanové membráně. Tyto subsystémy jsou individuálně kontrolovány, pak dojde k finální montáži celého systému. Štěpy jsou sestaveny samostatně a připevněny během provozu.

testování

• 4 Po dokončení montáže je každé zařízení testováno pomocí speciálního zařízení, které simuluje tlaky v těle. Všechny elektronické součástky jsou testovány elektronickým zkušebním zařízením, aby byla zajištěna správná funkce všech obvodů.

sterilizace / balení

• 5 Poté, co je umělé srdce testováno a prochází, je odesláno do vnější služby pro sterilizaci. Každé zařízení je utěsněno v plastových zásobnících a vráceno výrobci srdce. Poté je zabalen do vlastních kufrů, aby byl chráněn před kontaminací a zabránil poškození.

kontrola kvality

většina součástí již prošla kontrolou dříve, než dorazí k výrobci srdce. Některé komponenty jsou stále kontrolovány rozměrově, protože vyžadují těsné tolerance-řádově miliontiny palce, což vyžaduje speciální měřicí nástroje. Pro splnění předpisů FDA je každá složka (včetně lepidel) použitá v procesu řízena šarží a sériovým číslem, takže jsou možné problémy se sledováním.

vedlejší produkty / odpad

šrot Titan se získává a recykluje po přetavení a přepracování. V opačném případě se produkuje málo odpadu, protože většina součástí prošla kontrolou před opuštěním různých výrobců. Ostatní vadné části jsou vyřazeny. Jakmile je zařízení použito pacientem, je odesláno zpět výrobci srdce k analýze, aby se zlepšil design.

budoucnost

během příštího desetiletí přijde na trh řada nových zařízení. Vědci z Pennsylvánské státní univerzity vyvíjejí elektromechanické srdce poháněné radiofrekvenční energií, která se přenáší kůží. Motor pohání tlačné desky, které se střídají při lisování proti plastovým váčkům naplněným krví, aby simulovaly čerpání. Pacienti nosí během dne baterii a spí se zařízením zapojeným do elektrické zásuvky. Toto umělé srdce bude testováno na lidech do roku 2001.

několik výzkumných skupin vyvíjí čerpadla, která cirkulují krev nepřetržitě, spíše než pomocí čerpací akce, protože tato čerpadla jsou menší a účinnější. V Austrálii společnost Micromedical Industries Limited vyvíjí rotační krevní pumpu s nepřetržitým průtokem, která by měla být implantována do člověka do roku 2001. Oddělení kardiologie Ohio State University vyvíjí plastovou pumpu o velikosti hokejového puku, která je samoregulační. Tato pumpa je implantována pacientům po dobu několika týdnů, dokud se jejich vlastní srdce neobnoví.

Thermo Cardiosystems, Inc. pracuje také na LVAD s rotačním čerpadlem s kontinuálním průtokem), které má být implantováno někdy v roce 2000, a LVAD s odstředivým čerpadlem s kontinuálním průtokem. Ten je stále v rané fázi vývoje, ale plánuje se být prvním beznosným čerpadlem na světě, což znamená, že nebude mít žádné součásti, které se nosí. Toho je dosaženo magnetickým zavěšením rotoru čerpadla. Obě tato zařízení budou k dispozici s transkutánním přenosem energie, což znamená, že zařízení budou plně implantovatelná.

vzhledem k tomu, že je k dispozici méně dárcovských srdcí, jiní také vyvíjejí umělé srdce, které je trvalou náhradou. Tyto náhrady mohou být ve formě asistenčního zařízení levé komory nebo celkového umělého srdce, v závislosti na fyzickém stavu pacienta. LVAD vyvíjí vynálezce Robert Jarvik a renomovaný srdeční chirurg Michael DeBakey. Celkem umělá srdce jsou společně vyvíjeny Texas Heart Institute a Abiomed, Inc. v Massachusetts. V Japonsku vědci vyvíjejí celkové umělé srdce založené na silikonovém kulovém ventilu a odstředivém čerpadle s ložiskovým systémem vyrobeným z keramických a polyethylenových složek oxidu hlinitého.

alternativy k umělým srdcím a pumpám na pomoc srdce jsou také ve vývoji. Například byla vynalezena speciální svorka, která mění tvar nemocného srdce, u kterého se očekává zlepšení účinnosti čerpání až o 30%. Takové zařízení vyžaduje minimální invazivní chirurgický zákrok k implantaci.