mesterséges szív

mesterséges szív

háttér

a természetes szívnek két szivattyúja van, mindegyik két kamrával rendelkezik. A jobb pitvar oxigénhiányos vért pumpál a testből a jobb kamrába, amely a tüdőbe pumpálja. A bal pitvar levegőztetett vért küld a tüdőből a bal kamrába, amely kiszivattyúzza a testbe. Minden szívverésnél a két pitvar összehúzódik, majd a nagy kamrák következnek.

a pangásos szívelégtelenség, amely a szív folyamatosan csökkenő képessége a vér pumpálására, az egyik vezető halálok. Ezt a betegséget a szívrohamok hirtelen károsodása, a vírusfertőzések romlása, a szelep meghibásodása, a magas vérnyomás és egyéb problémák okozzák. Az American Heart Association szerint becslések szerint ötmillió amerikai él szívelégtelenséggel, és évente több mint 400 000 új esetet diagnosztizálnak. Az összes beteg körülbelül 50% – a öt éven belül meghal. A szívbetegség az Egyesült Államok Egészségügyi iparának körülbelül 95 milliárd dollárba került 1998-ban.

bár a gyógyszeres kezelés és a sebészeti technikák segíthetnek a tünetek kezelésében, a szívelégtelenség egyetlen gyógymódja a szervátültetés. 1998-ban mintegy 7700 Amerikai volt a nemzeti szívátültetési listán, de csak 30% – uk kapott transzplantációt. A mesterséges szíveket és a szivattyú-segédeszközöket ezért potenciális alternatívákként fejlesztették ki.

a mesterséges szív különböző ideig fenntartja a szív vérkeringését és oxigénellátását. Az ideális mesterséges szívnek 100.000-szer kell 24 óránként dobognia anélkül, hogy kenést vagy karbantartást igényelne, és állandó áramforrással kell rendelkeznie. A beteg aktivitásától függően gyorsabban vagy lassabban kell pumpálnia, anélkül, hogy fertőzést vagy vérrögöket okozna.

a mesterséges szívek két fő típusa a szív-tüdő gép és a mechanikus szív. Az első típus egy oxigenátorból és egy szivattyúból áll, és elsősorban a vér áramlásának fenntartására szolgál, miközben a szív működik. Ez a gép csak néhány órán keresztül működhet, mivel a vér hosszabb idő után károsodik.

a mechanikus szívet úgy tervezték, hogy csökkentse annak a szívnek a teljes munkaterhelését, amely már nem képes normál kapacitással működni. Ezek a szívek olyan berendezésekből állnak, amelyek pulzálják a vért a szívverések között, vagy mesterséges segédkamrát használnak (bal kamra segítő eszköz, LVAD), amely a normál szívteljesítmény egy részét pumpálja. Mivel az ilyen eszközök általában komplikációkat okoznak a beteg számára, általában ideiglenes pótlásként használták őket, amíg természetes szíveket nem lehet átültetni. Világszerte mintegy 4000 LVAD-ot ültettek be. Ezen eszközök piacát évente 12 milliárd dollárra becsülik az Egyesült Államokban.

történelem

a tizenkilencedik század vége óta a tudósok olyan mechanikus eszközt próbáltak kifejleszteni, amely visszaállíthatja a vér oxigénjét és eltávolíthatja a túlzott szén-dioxidot, valamint egy szivattyút, amely ideiglenesen kiszorítja a szívműködést. Csaknem 100 évbe telt, mire az első sikeres szív-tüdő gépet John H. Gibbon Jr. használta emberen 1953-ban. Négy évvel később a nyugati világ első műszívét (műanyagból készült) egy kutyába ültették be. A Nemzeti Szív Intézet

A. pneumatikus mesterséges szív. B. A giroszkóp centrifugális mesterséges szív.

létrehozta a mesterséges szív programot 1964-ben, ami az első teljes emberi felhasználásra szánt mesterséges szív beültetéséhez vezetett 1969-ben.

1970-ben a hangsúly a bal kamrai segédrendszerekre és a vérrel kompatibilis anyagokra helyeződött át. Ugyanebben az évben sikeresen alkalmazták az LVAD-t. A vérpumpa fejlesztése azonban folytatódott, és az eszközök kisebbek, könnyebbek, elfogadhatóbbak és klinikailag sikeresek lettek. Számos hosszú élettartamú poliuretán és műanyag szivattyút is kifejlesztettek. Az 1980-as években a Food and Drug Administration (FDA) szigorúbb szabályokat vezetett be az orvostechnikai eszközök szabványairól szóló törvényre, ami magasabb fejlesztési költségekhez vezetett. Sok kutatócsoportnak ki kellett esnie, csak néhány maradt ma.

talán a leghíresebb tudós Dr. Robert Jarvik, aki feltalálta a Jarvik-7 nevű mesterséges szívet. Ez az alumíniumból és műanyagból készült eszköz kicserélte a természetes szív két alsó kamráját, és két gumi membránt használt a szivattyúzáshoz. Egy hűtőszekrény méretű külső kompresszor tartotta a mesterséges szívverést. Barney Clark volt az első beteg, aki megkapta ezt a szívet. 112 napot élt túl, mielőtt az implantátum okozta fizikai szövődmények életét vesztették volna. 1986-ban William Schroeder lett a második Jarvik-7 címzett, aki körülbelül 20 hónapig maradt fenn.

az orvosi közösség rájött, hogy egy teljesen beültethető szív elkerülheti a Jarvik-7 által okozott mobilitási és fertőzési problémákat. 1988-ban az Országos Egészségügyi Intézet megkezdte az ilyen szívek fejlesztésének finanszírozását, 1991-ben pedig egy ilyen programot támogatott, összesen 6 millió dollárral. Három évvel később egy elektromos és akkumulátoros beültethető LVAD vált elérhetővé. 1999-ben Charlie Chappis lett az első beteg, akit ilyen eszközzel szabadon engedtek a kórházból. A különböző minták más mesterséges szívét jelenleg tesztelik.

nyersanyagok

a mesterséges szív vagy LVAD fémből, műanyagból, kerámiából és állati alkatrészekből készül. Titán-alumínium-vanádium ötvözetet használnak a szivattyúhoz és más fém alkatrészekhez, mert biokompatibilis és megfelelő szerkezeti tulajdonságokkal rendelkezik. A titán alkatrészeket egy speciális titán processzoron öntik. A vérrel érintkező felületek kivételével a titánt egy meghatározott felületre megmunkálják. A vérrel érintkező felületek speciális titán mikrogömböket kapnak, amelyek tartósan kötődnek a felülethez. Ezzel a bevonattal a vérsejtek tapadnak a felülethez, élő bélést hozva létre.

a szivattyún belüli vérrel érintkező membrán egy speciális típusú poliuretánból készül, amely szintén texturált a vérsejtek tapadásának biztosítására. Két cső alakú graft poliészterből készül (amelyeket az eszköz az aortához való rögzítésére használnak), a szelepek pedig a sertésből eltávolított tényleges szívbillentyűk. A motort alkotó egyéb alkatrészek titánból vagy más fémekből és kerámiából készülnek.

tervezés

az LVAD tervezésekor számos kritikus kérdés merül fel. A véráramlás folyadékdinamikáját meg kell érteni, hogy elegendő vér pumpálódjon, és ne keletkezzen vérrögök. Biokompatibilis anyagokat kell választani, különben a szivattyú meghibásodhat. A motor hatékonyságát úgy kell optimalizálni, hogy minimális hő keletkezzen. Az esetleges elutasítás miatt a teljes eszköz teljes térfogatát és felületét a lehető legkisebbnek kell tartani. Egy tipikus LVAD súlya körülbelül 2,4 Font (1200 gm), térfogata 1,4 pint (660 ml).

vagy. Robert Jarvik.

Robert Jarvik született május 11, 1946, Midland, Michigan, és nőtt fel Stamford, Connecticut. 1964-ben beiratkozott a New York-i Syracuse Egyetemre, ahol építészetet és mechanikus rajzot tanult. Miután apja szívbetegség alakult ki, Jarvik átállt az előgyógyászatra. 1968-ban végzett a Bachelor of arts ban ben állattan, de az Egyesült Államok orvosi iskolái elutasították. Belépett a Bolognai Egyetem Olaszországban, de 1971-ben távozott New York-i Egyetem, a foglalkozási biomechanika Művészeti mestere.

Jarvik a Utah-i Egyetemen jelentkezett állásra. Willem Kolff, az Institute for Biomedical Engineering and division of Artificial Organs igazgatója az 1950-es évek közepe óta fejleszti a mesterséges szívet. Jarvik laboratóriumi asszisztensként kezdte, orvosi diplomáját 1976-ban szerezte meg.

December 2, 1982, az orvosok átültetett az első mesterséges szív egy ember. Ezt a műanyag és alumínium eszközt, a Jarvik-7-et ültették be Barney Clarkba, aki a műtét után 112 napig életben maradt. Számos más beteg kapott Jarvik – 7 szívet, de egyikük sem élt 620 napnál tovább. A fő előny az volt, hogy nem kellett várni az emberi szívre, és nem volt esély az elutasításra. A nyilvánvaló buktató, hogy a betegek örökre csöveken keresztül csatlakoztak egy sűrített levegős géphez.

a Jarvik-7-et végül a természetes szívre váró betegek megállítására használták, és reményt adott arra, hogy nem kell várni a transzplantációra. 1998-ban Jarvik folytatta a munkát egy önálló eszközön, amelyet be kell ültetni az ember beteg szívébe, hogy megfelelően működjön.

a gyártási folyamat

• 1 az alkatrészek nagy részét harmadik fél gyártói, köztük a gépüzletek és a nyomtatott áramköri lapok gyártói egyedi specifikációk szerint készítik. A sertésszelepeket varratokkal varrják az oltványok belsejébe egy szívszelepekre szakosodott orvostechnikai eszköz cégnél.

  az összes alkatrész beszerzése után az LVAD rendszert összeszerelik és tesztelik annak biztosítása érdekében, hogy minden eszköz megfeleljen az összes előírásnak. A tesztelés után az LVAD sterilizálható és csomagolható a szállításhoz.

A poliuretán alkatrészek kialakítása

• 2 néhány mesterséges szívgyártó saját poliuretán alkatrészeket gyárt. Az egyik eljárás egy szabadalmaztatott folyékony oldatot használ, amelyet rétegenként kerámia tüskére öntünk. Minden réteget melegítünk és szárítunk, amíg el nem érjük a kívánt vastagságot. Az alkatrészt ezután eltávolítják a tüskéről, és megvizsgálják. Ellenkező esetben egy harmadik fél gyártója fröccsöntési vagy vákuumformázási eljárást alkalmaz rádiófrekvenciás hegesztéssel kombinálva.

összeszerelés

• 3 minden mesterséges szív több napot vesz igénybe, hogy összeállítsa és tesztelje. Az összeszerelési folyamatot tiszta helyiségben végezzük a szennyeződés elkerülése érdekében. Minden mesterséges szív legfeljebb 50 komponensből áll, amelyeket speciális ragasztók segítségével állítanak össze. Ezek a ragasztók magas hőmérsékleten történő kikeményedést igényelnek. Számos összeszerelési művelet történik párhuzamosan, beleértve a motorház és alkatrészek összeszerelését, a perkután cső összeszerelését és a nyomólemezek poliuretán membránhoz történő rögzítését. Ezeket az alrendszereket egyenként ellenőrzik, majd a teljes rendszer végső összeszerelése megtörténik. Az oltványokat külön-külön szerelik össze, és működés közben rögzítik.

tesztelés

• 4 az összeszerelés befejezése után minden eszközt speciális berendezéssel tesztelnek, amely szimulálja a test nyomását. Minden elektronikus alkatrészt elektronikus tesztberendezéssel tesztelnek az összes áramkör megfelelő működésének biztosítása érdekében.

sterilizálás / csomagolás

• 5 Miután a műszívet tesztelték és átadták, elküldik egy külső szolgálatnak sterilizálásra. Minden eszköz műanyag tálcákba van lezárva, és visszakerül a szívgyártóhoz. Ezután egyedi bőröndökbe csomagolják, hogy megvédjék a szennyeződéstől és megakadályozzák a sérüléseket.

minőség-ellenőrzés

a legtöbb alkatrész már átment az ellenőrzésen, mielőtt megérkezne a szívgyártóhoz. Egyes alkatrészeket továbbra is méretileg ellenőriznek, mivel szoros tűréseket igényelnek—hüvelyk milliomod nagyságrendű, ami speciális mérőeszközöket igényel. Az FDA előírásainak való megfelelés érdekében a folyamatban használt minden komponenst (beleértve a ragasztókat is) tétel és sorozatszám vezérli, így lehetséges a nyomon követési problémák.

melléktermékek/hulladék

A Titánhulladékot újraolvasztás és átdolgozás után visszanyerik és újrahasznosítják. Ellenkező esetben kevés hulladék keletkezik, mivel a legtöbb alkatrész átment az ellenőrzésen, mielőtt elhagyta a különféle gyártókat. Az egyéb hibás alkatrészeket eldobják. Miután egy eszközt a beteg használt, visszaküldik a szívgyártónak elemzésre a tervezés javítása érdekében.

a jövő

A következő évtizedben számos új eszköz jelenik meg a piacon. A Pennsylvaniai Állami Egyetem kutatói olyan elektromechanikus szívet fejlesztenek ki, amelyet rádiófrekvenciás energia táplál, amelyet a bőrön keresztül továbbítanak. A motor meghajtja a nyomólemezeket, amelyek váltakozva nyomják a műanyag vérrel töltött zsákokat a szivattyúzás szimulálása érdekében. A betegek napközben akkumulátorcsomagot hordanak maguknál, és úgy alszanak, hogy a készülék csatlakoztatva van az elektromos aljzathoz. Ezt a mesterséges szívet 2001-ig embereken tesztelik.

számos kutatócsoport olyan szivattyúkat fejleszt, amelyek folyamatosan keringenek a vérben, ahelyett, hogy pumpáló műveletet alkalmaznának, mivel ezek a szivattyúk kisebbek és hatékonyabbak. Ausztráliában a Micromedical Industries Limited folyamatos áramlású rotációs vérszivattyút fejleszt, amelyet várhatóan 2001-ig beültetnek egy emberbe. Az Ohio Állami Egyetem Kardiológiai osztálya olyan műanyag szivattyút fejleszt ki, amely önszabályozó jégkorongkorong méretű. Ezt a szivattyút több hétig beültetik a betegekbe, amíg a saját szívük helyre nem áll.

Thermo Cardiosystems, Inc. dolgozik egy folyamatos áramlású forgószivattyúval ellátott LVAD-n is), amelyet várhatóan valamikor 2000-ben ültetnek be, valamint egy folyamatos áramlású centrifugálszivattyúval ellátott LVAD-t. Ez utóbbi még korai fejlesztési szakaszban van, de a tervek szerint a világ első csapágy nélküli szivattyúja lesz, ami azt jelenti, hogy nem lesz Kopó alkatrésze. Ez a szivattyú forgórészének mágneses felfüggesztésével érhető el. Mindkét eszköz transzkután energiaátadással lesz elérhető, ami azt jelenti, hogy az eszközök teljesen beültethetők lesznek.

mivel kevesebb donorszív válik elérhetővé, mások mesterséges szívet is fejlesztenek, amely állandó helyettesítő. Ezek a helyettesítések lehetnek bal kamra segédeszköz vagy teljes mesterséges szív formájában, a beteg fizikai állapotától függően. Az LVAD-okat Robert Jarvik feltaláló és a neves szívsebész, Michael DeBakey fejlesztette ki. A Total mesterséges szíveket a Texas Heart Institute és az Abiomed, Inc. közösen fejleszti. Massachusettsben. Japánban a kutatók teljes mesterséges szíveket fejlesztenek ki egy szilikon gömbcsap rendszeren és egy centrifugálszivattyún, alumínium-oxid kerámia és polietilén komponensekből készült csapágyrendszerrel.

A műszívek és a szívsegítő szivattyúk alternatívái szintén fejlesztés alatt állnak. Például feltaláltak egy speciális bilincset, amely megváltoztatja a beteg szív alakját, amely várhatóan akár 30% – kal javítja a szivattyúzás hatékonyságát. Egy ilyen eszköz minimális invazív műtétet igényel az implantációhoz.