kunsthart
Achtergrond
een natuurlijk hart heeft twee pompen, elk met twee kamers. Het rechter atrium pompt zuurstofarm bloed uit het lichaam naar de rechter hartkamer, die het naar de longen pompt. Het linker atrium stuurt belucht bloed uit de longen naar de linker hartkamer, die het naar het lichaam pompt. Met elke hartslag, de twee atria samentrekken samen, gevolgd door de grote ventrikels.
congestief hartfalen, het gestaag afnemende vermogen van het hart om bloed te pompen, is een van de belangrijkste doodsoorzaken. Deze ziekte wordt veroorzaakt door plotselinge schade door hartaanvallen, verslechtering van virale infecties, klep storingen, hoge bloeddruk en andere problemen. Volgens de American Heart Association leven naar schatting vijf miljoen Amerikanen met hartfalen en worden jaarlijks meer dan 400.000 nieuwe gevallen gediagnosticeerd. Ongeveer 50% van alle patiënten sterft binnen vijf jaar. Hart-en vaatziekten kosten De Amerikaanse gezondheidsindustrie ongeveer $ 95 miljard in 1998.
hoewel medicatie en chirurgische technieken kunnen helpen de symptomen onder controle te houden, is de enige remedie voor hartfalen een orgaantransplantatie. In 1998 stonden ongeveer 7.700 Amerikanen op de nationale lijst van harttransplantaties, maar slechts 30% ontving transplantaties. Kunstmatige harten en pomp-assist apparaten zijn dus ontwikkeld als potentiële alternatieven.
een kunsthart houdt de bloedcirculatie en oxygenatie van het hart gedurende wisselende perioden in stand. Het ideale kunsthart moet 100.000 keer per 24 uur kloppen zonder smering of onderhoud en moet een constante stroombron hebben. Het moet ook sneller of langzamer pompen afhankelijk van de activiteit van de patiënt zonder infectie of bloedstolsels te veroorzaken.
de twee belangrijkste typen kunstharten zijn de hart-longmachine en het mechanische hart. Het eerste type bestaat uit een oxygenator en een pomp en wordt voornamelijk gebruikt om het bloed te laten stromen terwijl het hart wordt geopereerd. Deze machine kan slechts een paar uur werken omdat het bloed beschadigd raakt na langere tijden.
een mechanisch hart is ontworpen om de totale werklast van een hart dat niet meer op zijn normale capaciteit kan werken, te verminderen. Deze harten bestaan uit apparatuur die het bloed pulseert tussen hartslagen of gebruik maken van een kunstmatige hulp ventrikel (left ventrikel assist device, LVAD) dat pompt een deel van de normale cardiale output. Omdat dergelijke apparaten meestal leiden tot complicaties voor de patiënt, zijn ze over het algemeen gebruikt als een tijdelijke vervanging totdat natuurlijke harten kunnen worden verkregen voor transplantatie. Wereldwijd zijn ongeveer 4.000 LVAD ‘ s geïmplanteerd. De markt voor deze apparaten wordt geschat op $ 12 miljard per jaar in de Verenigde Staten.
geschiedenis
sinds het einde van de negentiende eeuw hebben wetenschappers geprobeerd een mechanisch apparaat te ontwikkelen dat zuurstof in het bloed kan herstellen en excessief koolstofdioxide kan verwijderen, evenals een pomp om de werking van het hart tijdelijk te verdringen. Het duurde bijna 100 jaar voordat de eerste succesvolle hart-longmachine werd gebruikt op een mens door John H. Gibbon Jr. in 1953. Vier jaar later werd het eerste kunsthart (gemaakt van plastic) in de westerse wereld in een hond geïmplanteerd. Het National Heart Institute
richtte in 1964 het artificial heart program op, wat leidde tot het eerste totale kunsthart voor menselijk gebruik dat in 1969 werd geïmplanteerd. In 1970 werd de nadruk verlegd naar linkerventrikelsystemen en bloedcompatibele materialen. In datzelfde jaar werd een LVAD succesvol gebruikt. De ontwikkeling van de bloedpomp ging echter door en apparaten werden kleiner, lichter, acceptabeler en klinisch succesvol. Ook werden een aantal polyurethaan-en kunststofpompen met een lange levensduur ontwikkeld. In de jaren tachtig legde de Food and Drug Administration (FDA) strengere regels op aan de Medical Devices Standards Act, wat leidde tot hogere ontwikkelingskosten. Veel onderzoeksgroepen moesten stoppen, met slechts een paar overgebleven vandaag. Misschien wel de beroemdste wetenschapper is Dr. Robert Jarvik, die het kunsthart Jarvik-7 heeft uitgevonden. Dit apparaat, gemaakt van aluminium en kunststof, verving de twee onderste kamers van het natuurlijke hart en gebruikte twee rubberen membranen voor de pompactie. Een externe compressor ter grootte van een koelkast hield het kunsthart kloppend. Barney Clark was de eerste patiënt die dit hart kreeg. Hij overleefde 112 dagen voordat lichamelijke complicaties veroorzaakt door het implantaat zijn leven Namen. In 1986 werd William Schroeder de tweede Jarvik-7 ontvanger, die ongeveer 20 maanden overleefde. De medische gemeenschap realiseerde zich dat een volledig implanteerbaar hart de mobiliteit en infectieproblemen veroorzaakt door de Jarvik-7 kon voorkomen. In 1988, de National Institutes of Health begonnen met de financiering van de ontwikkeling van dergelijke harten en was het ondersteunen van een dergelijk programma in 1991 in totaal $6 miljoen. Drie jaar later kwam er een elektrisch en op batterijen werkende implanteerbare LVAD beschikbaar. In 1999, Charlie Chappis werd de eerste patiënt ooit vrijgelaten uit een ziekenhuis met een dergelijk apparaat. Andere kunstharten van verschillende ontwerpen worden momenteel getest.
grondstoffen
een kunsthart of LVAD bestaat uit delen van metaal, kunststof, keramiek en dieren. Een titanium-aluminium-vanadium legering wordt gebruikt voor de pomp en andere metalen onderdelen omdat het biocompatibel is en geschikte structurele eigenschappen heeft. De titanium onderdelen worden gegoten bij een gespecialiseerde titanium processor. Behalve voor bloedcontacterende oppervlakken, wordt het titanium bewerkt tot een specifieke afwerking. Bloedcontacterende oppervlakken krijgen een speciale coating van titanium microsferen die zich permanent aan het oppervlak hechten. Met deze coating hechten bloedcellen zich aan het oppervlak, waardoor een levende voering ontstaat.
een bloedcontent membraan in de pomp is gemaakt van een speciaal type polyurethaan dat ook is gestructureerd om de hechting van de bloedcellen te waarborgen. Twee buisvormige enten zijn gemaakt van polyester (die worden gebruikt om het apparaat te bevestigen aan de aorta) en de kleppen zijn echte hartkleppen verwijderd van een varken. Andere onderdelen die deel uitmaken van de motor zijn gemaakt van titanium of andere metalen en keramiek.
ontwerp
er zijn verschillende kritieke problemen bij het ontwerpen van een LVAD. De vloeistofdynamiek van de bloedstroom moet zodanig worden begrepen dat er voldoende bloed wordt gepompt en er geen bloedstolsels worden gemaakt. Er moeten materialen worden gekozen die biocompatibel zijn; anders kan de pomp uitvallen. De efficiëntie van de motor moet worden geoptimaliseerd, zodat minimale warmte wordt gegenereerd. Vanwege mogelijke afstoting moet het totale volume en de totale oppervlakte van het gehele apparaat zo klein mogelijk worden gehouden. Een typische LVAD weegt ongeveer 1.200 gm en heeft een volume van 1.4 pints (660 ml).
Jarvik solliciteerde naar een baan aan de Universiteit van Utah. De directeur van het Instituut voor Biomedische Technologie en afdeling kunstmatige organen, Willem Kolff, ontwikkelde al sinds het midden van de jaren vijftig een kunsthart. Jarvik begon als zijn labassistent en behaalde zijn medische graad in 1976.
op 2 December 1982 transplanteerden artsen het eerste kunsthart in een mens. Dit plastic en aluminium apparaat, de Jarvik-7, werd geïmplanteerd in Barney Clark, die 112 dagen na de operatie overleefde. Verschillende andere patiënten kregen Jarvik-7 hearts, maar geen van hen leefde langer dan 620 dagen. De belangrijkste voordelen waren dat er niet zou worden gewacht op een menselijk hart en er was geen kans op afwijzing. De voor de hand liggende valkuil is dat patiënten voor altijd verbonden waren met een persluchtmachine via buizen.
de Jarvik-7 werd uiteindelijk gebruikt als een noodoplossing voor patiënten die wachten op een natuurlijk hart en gaf hoop dat er niet zou worden gewacht op transplantaties. In 1998 zette Jarvik het werk voort aan een op zichzelf staand apparaat dat geïmplanteerd moest worden in het zieke hart van een persoon om het correct te laten functioneren.
het fabricageproces
-
1 De meeste componenten worden op maat gemaakt door fabrikanten van derden, waaronder machinewerkplaatsen en fabrikanten van printplaten. De varkenskleppen worden genaaid in de transplantaten met hechtingen bij een medisch hulpmiddel bedrijf dat gespecialiseerd is in hartkleppen.
zodra alle onderdelen zijn verkregen, wordt het LVAD-systeem geassembleerd en getest om ervoor te zorgen dat elk apparaat aan alle specificaties voldoet. Eenmaal getest, kan de LVAD worden gesteriliseerd en verpakt voor verzending.
vormen van de polyurethaan onderdelen
- 2 Sommige kunsthartfabrikanten maken hun eigen polyurethaandelen. Een proces maakt gebruik van een gepatenteerde vloeibare oplossing die laag voor laag op een keramische doorn wordt gegoten. Elke laag wordt verhit en gedroogd tot de gewenste dikte is bereikt. Vervolgens wordt het onderdeel van de doorn verwijderd en geïnspecteerd. Anders gebruikt een derde fabrikant een spuitgiet – of vacuümvormproces in combinatie met radiofrequentielassen.
samenstel
- 3 Elk kunsthart duurt enkele dagen om samen te stellen en te testen. Het assemblageproces wordt uitgevoerd in een schone ruimte om verontreiniging te voorkomen. Elk kunsthart bestaat uit maximaal 50 componenten die met speciale lijmen worden samengesteld. Deze lijmen vereisen uitharding bij hoge temperaturen. Parallel lopen verschillende montagewerkzaamheden, waaronder de assemblage van de motorbehuizing en onderdelen, de assemblage van de percutane buis en de bevestiging van de duwplaten aan het polyurethaandiafragma. Deze subsystemen worden individueel geïnspecteerd, waarna de uiteindelijke assemblage van het complete systeem plaatsvindt. De enten worden afzonderlijk geassembleerd en bevestigd tijdens het gebruik.
testen
- 4 Nadat de assemblage is voltooid, wordt elk apparaat getest met behulp van speciale apparatuur die druk in het lichaam simuleert. Alle elektronische componenten worden getest met elektronisch testmateriaal om de juiste functie van alle schakelingen te verzekeren.
sterilisatie / verpakking
- 5 Nadat het kunsthart is getest en passeert, wordt het naar een Externe dienst gestuurd voor sterilisatie. Elk apparaat wordt verzegeld in plastic trays en teruggestuurd naar de hartfabrikant. Het wordt vervolgens verpakt in aangepaste koffers om het te beschermen tegen verontreiniging en schade te voorkomen.
kwaliteitscontrole
de meeste componenten zijn al door de inspectie gecontroleerd voordat ze bij de hartfabrikant aankomen. Sommige componenten worden nog steeds dimensioneel geïnspecteerd omdat ze nauwe toleranties vereisen-in de Orde van miljoensten van een inch, waarvoor speciale meetinstrumenten nodig zijn. Om te voldoen aan de FDA-voorschriften, wordt elk onderdeel (inclusief lijmen) gebruikt in het proces gecontroleerd door lot en serienummer, zodat traceerproblemen mogelijk zijn.
bijproducten/afval
schroot titaan wordt teruggewonnen en gerecycleerd na hersmelting en herschikking. Anders wordt er weinig afval geproduceerd, omdat de meeste onderdelen zijn gecontroleerd voordat ze de verschillende fabrikanten verlaten. Andere defecte onderdelen worden weggegooid. Zodra een apparaat door een patiënt is gebruikt, wordt het teruggestuurd naar de hartfabrikant voor analyse om het ontwerp te verbeteren.
de toekomst
in het komende decennium zal een aantal nieuwe apparaten op de markt komen. Pennsylvania State University onderzoekers ontwikkelen een elektromechanisch hart aangedreven door radiofrequentie energie die wordt overgedragen door de huid. Een motor drijft drukplaten aan, die elkaar afwisselen in het Persen tegen plastic bloed gevulde zakken om pompen te simuleren. Patiënten hebben overdag een batterijpakket bij zich en slapen met het apparaat aangesloten op een stopcontact. Dit kunsthart zal in 2001 bij mensen worden getest.
verschillende onderzoeksgroepen ontwikkelen pompen die het bloed continu laten circuleren, in plaats van een pompactie te gebruiken, omdat deze pompen kleiner en efficiënter zijn. In Australië, Micromedical Industries Limited is de ontwikkeling van een continu-flow roterende bloedpomp, die naar verwachting worden geïmplanteerd in een mens in 2001. De afdeling cardiologie van de Ohio State University ontwikkelt een plastic pomp ter grootte van een hockey puck die zelfregulerend is. Deze pomp wordt enkele weken bij patiënten geïmplanteerd totdat hun eigen hart is hersteld.
Thermo Cardiosystems, Inc. werkt ook aan een LVAD met een continue flow roterende pomp), die naar verwachting ergens in 2000 zal worden geïmplanteerd, en een LVAD met een continue flow centrifugaalpomp. De laatste is nog in een vroege ontwikkelingsfase, maar is gepland om ‘ s werelds eerste draagloze pomp te zijn, wat betekent dat het geen onderdelen zal hebben die slijten. Dit wordt bereikt door de rotor van de pomp magnetisch op te schorten. Beide apparaten zullen beschikbaar zijn met transcutane energieoverdracht, wat betekent dat de apparaten volledig implanteerbaar zullen zijn.
nu minder donorharten beschikbaar komen, ontwikkelen anderen ook een kunsthart dat een permanente vervanging is. Deze vervangingen kunnen worden in de vorm van een linker ventrikel assist apparaat of een totale kunsthart, afhankelijk van de fysieke conditie van de patiënt. LVADs worden ontwikkeld door uitvinder Robert Jarvik en gerenommeerde hartchirurg Michael DeBakey. Total artificial hearts worden gezamenlijk ontwikkeld door het Texas Heart Institute en Abiomed, Inc. in Massachusetts. In Japan ontwikkelen onderzoekers totale kunstharten op basis van een siliconen kogelkraansysteem en een centrifugaalpomp met een lagersysteem gemaakt van aluminiumoxide keramiek en polyethyleen componenten.
alternatieven voor kunstharten en hart-hulppompen zijn ook in ontwikkeling. Er is bijvoorbeeld een speciale klem uitgevonden die de vorm van een ziek hart verandert, wat naar verwachting de pompefficiëntie met maximaal 30% zal verbeteren. Een dergelijk apparaat vereist minimale invasieve chirurgie om te implanteren.
meer informatie
tijdschriften
Bonfield, Tim. “Apparaat om harten te helpen.”Cincinnati Enquirer (7 November 1999).
Castor, Tasha. “Ohio State University Cardiologie Unit klaar om hartpomp te proberen.”The Lantern (6 Mei 1999).
“Electric Hearts by 2005.”Popular Mechanics (Maart 1997).
Gugliotta, Guy. “Upbeat on Man-Made Hearts: Improved Devices Save Those too III for Transplant.”The Washington Post (June 28, 1999): AOl.
Guy, T. Sloane. “Evolutie en huidige Status van het totale kunsthart: de zoektocht gaat verder.”ASAIO Journal (januari-februari 1998): 28-33.
Hall, Celia. “Een Pomp Ter Grootte Van Een Duim Kan Hartdoden Voorkomen.”The Daily Telegraph (13 September 1999): 11.
Hesman, Tina. “Pomp brengt nieuwe verwachtingen voor kunsthart.”Omaha World-Herald (12 December 1999).
Hopkins, Elaine. “Apparaat laat hartpatiënt wachten op een transplantatie thuis.”Journal Star (30 November 1999).
Kinney, David. “Effectief Kunsthart Lijkt Binnen Handbereik.”The Los Angeles Times (23 Januari 2000).
Kolff, William. “Early Years of Artificial Organs at the Cleveland Clinic: Part II: Open Heart Surgery and Artificial Hearts.”ASAIO Journal (mei-juni 1998): 123-128.
Kolff, William. “De behoefte aan eenvoudiger productie van kunstmatige harten en Assist-apparaten en hoe deze behoefte kan worden voldaan door de vacuüm Molding techniek.”ASAIO Journal (januari-februari 1998): 12-27.
Kunzig, Robert. “De Beat Gaat Door.”Discover (Januari 2000): 33-34.
M2 Communicatie. “Succesvolle bloed compatibiliteitstesten voor Micromedical’ s kunsthart.”M2 PressWIRE (26 Maart 1999).
Phillips, Winfred. “The Artificial Heart: History and Current Status.”Journal of Biomechanical Engineering (November 1993): 555-557.
Takami, Y. et al. “Huidige vooruitgang in de ontwikkeling van een volledig implanteerbare Gyro centrifugaal kunsthart.”ASAIO Journal (mei-juni 1998): 207-211.
Wilson, Steve. “Een Race van leven en dood tegen de tijd. “Arizona Republic (14 November 1999).
Yambe, T. et al. “Ontwikkeling van totaal kunsthart met economische en Duurzaamheidsvoordelen.”The International Journal of Artificial Organs (1998): 279-284.
Overige
“Progress on Development of an Artificial Heart.”http://www.uts.edu.au/new/archives/l999/February/02.html (29 december 2000).
— Laurel M. Sheppard