konstgjort hjärta

konstgjort hjärta

Bakgrund

ett naturligt hjärta har två pumpar, var och en med två kamrar. Det högra atriumet pumpar syreutarmat blod från kroppen till höger kammare, vilket pumpar det till lungorna. Det vänstra atriumet skickar luftat blod från lungorna till vänster ventrikel, vilket pumpar ut det till kroppen. Med varje hjärtslag kontraherar de två atrierna tillsammans, följt av de stora ventriklarna.

hjärtsvikt, som är den stadigt minskande förmågan hos hjärtat att pumpa blod, är en av de främsta dödsorsakerna. Denna sjukdom orsakas av plötslig skada från hjärtattacker, försämring från virusinfektioner, ventilfel, högt blodtryck och andra problem. Enligt American Heart Association lever uppskattningsvis fem miljoner amerikaner med hjärtsvikt och över 400 000 nya fall diagnostiseras varje år. Cirka 50% av alla patienter dör inom fem år. Hjärtsjukdom kostade USA: s hälsoindustri cirka 95 miljarder dollar 1998.

även om medicinering och kirurgiska tekniker kan hjälpa till att kontrollera symtom, är det enda botemedlet för hjärtsvikt en organtransplantation. 1998 var cirka 7 700 amerikaner på den nationella hjärttransplantationslistan men endast 30% fick transplantationer. Konstgjorda hjärtan och pumpassistansenheter har således utvecklats som potentiella alternativ.

ett konstgjort hjärta upprätthåller hjärtats blodcirkulation och syresättning under olika tidsperioder. Det ideala konstgjorda hjärtat måste slå 100 000 gånger var 24: e timme utan att behöva smörjning eller underhåll och måste ha en konstant strömkälla. Det måste också pumpa snabbare eller långsammare beroende på patientens aktivitet utan att orsaka infektion eller blodproppar.

de två huvudtyperna av konstgjorda hjärtan är hjärt-lungmaskinen och det mekaniska hjärtat. Den första typen består av en oxygenator och en pump och används huvudsakligen för att hålla blodet flytande medan hjärtat drivs på. Denna maskin kan bara fungera i några timmar eftersom blodet skadas efter längre tider.

ett mekaniskt hjärta är utformat för att minska den totala arbetsbelastningen för ett hjärta som inte längre kan fungera vid sin normala kapacitet. Dessa hjärtan består av utrustning som pulserar blodet mellan hjärtslag eller använder en artificiell hjälpkammare (left ventricle assist device, LVAD) som pumpar en del av den normala hjärtutgången. Eftersom sådana anordningar vanligtvis resulterar i komplikationer för patienten har de i allmänhet använts som en tillfällig ersättning tills naturliga hjärtan kan erhållas för transplantation. Över hela världen har cirka 4 000 LVAD implanterats. Marknaden för dessa enheter uppskattas till 12 miljarder dollar per år i USA.

historia

sedan slutet av artonhundratalet har forskare försökt utveckla en mekanisk anordning som kan återställa syre till blodet och avlägsna överdriven koldioxid, liksom en pump för att tillfälligt ersätta hjärtverkan. Det tog nästan 100 år innan den första framgångsrika hjärt-lungmaskinen användes på en människa av John H. Gibbon Jr.1953. Fyra år senare implanterades det första konstgjorda hjärtat (tillverkat av plast) i västvärlden inuti en hund. National Heart Institute

A. ett pneumatiskt konstgjort hjärta. B. en gyro centrifugal artificiellt hjärta.

etablerade det artificiella hjärtprogrammet 1964, vilket ledde till det första totala konstgjorda hjärtat för mänskligt bruk implanterat 1969.

tyngdpunkten skiftade till vänster ventrikulära assistsystem och blodkompatibla material 1970. Under samma år användes en LVAD framgångsrikt. Utvecklingen av blodpumpen fortsatte dock och enheterna blev mindre, lättare, mer acceptabla och kliniskt framgångsrika. Ett antal polyuretan-och plastpumpar av långlivstid utvecklades också. Under 1980-talet införde Food and Drug Administration (FDA) mer restriktiva regler för lagen om medicintekniska produkter, vilket ledde till högre utvecklingskostnader. Många forskargrupper var tvungna att släppa ut, med bara några få kvar idag.

den kanske mest kända forskaren är Dr.Robert Jarvik, som uppfann ett konstgjort hjärta som heter Jarvik-7. Denna enhet, tillverkad av aluminium och plast, ersatte de två nedre kamrarna i det naturliga hjärtat och använde två gummimembran för pumpverkan. En extern kompressor storleken på ett kylskåp höll det konstgjorda hjärtat att slå. Barney Clark var den första patienten som fick detta hjärta. Han överlevde 112 dagar innan fysiska komplikationer orsakade av implantatet tog sitt liv. 1986 blev William Schroeder den andra Jarvik-7-mottagaren och överlevde i cirka 20 månader.

det medicinska samfundet insåg att ett helt implanterbart hjärta kunde undvika rörlighet och infektionsproblem orsakade av Jarvik-7. 1988 började National Institutes of Health finansiera utvecklingen av sådana hjärtan och stödde ett sådant program 1991 på totalt 6 miljoner dollar. Tre år senare blev en elektrisk och batteridriven implanterbar LVAD tillgänglig. 1999 blev Charlie Chappis den första patienten som någonsin släpptes från ett sjukhus med en sådan enhet. Andra konstgjorda hjärtan av olika mönster testas för närvarande.

råvaror

ett konstgjort hjärta eller LVAD är tillverkat av metall -, plast -, keramik-och djurdelar. En titan-aluminium-vanadinlegering används för pumpen och andra metalldelar eftersom den är biokompatibel och har lämpliga strukturella egenskaper. Titandelarna är gjutna på en specialiserad titanprocessor. Med undantag för blodkontaktytor bearbetas titan till en specifik finish. Blodkontaktytor får en speciell beläggning av titanmikrosfärer som binder permanent till ytan. Med denna beläggning klibbar blodcellerna på ytan och skapar ett levande foder.

ett blodkontaktmembran i pumpen är tillverkat av en speciell typ av polyuretan som också är texturerad för att ge blodcellens vidhäftning. Två rörformiga transplantat är gjorda av polyester (som används för att fästa enheten i aortan) och ventilerna är faktiska hjärtventiler som tas bort från en gris. Andra delar som utgör motorn är gjorda av titan eller andra metaller och keramik.

Design

Det finns flera kritiska problem när man utformar en LVAD. Vätskedynamik i blodflödet måste förstås så att tillräckligt med blod pumpas och inga blodproppar skapas. Material måste väljas som är biokompatibla; annars kan pumpen misslyckas. Motorns effektivitet måste optimeras så att minimal värme genereras. På grund av eventuell avstötning bör den totala volymen och ytan på hela enheten hållas så liten som möjligt. En typisk LVAD väger cirka 2,4 lb (1200 gm) och har en volym på 1,4 pints (660 ml).

eller. Robert Jarvik.

Robert Jarvik föddes den 11 maj 1946 i Midland, Michigan och växte upp i Stamford, Connecticut. Han gick in i New Yorks Syracuse University 1964 och studerade arkitektur och mekanisk ritning. Efter att hans far utvecklat hjärtsjukdom bytte Jarvik till förmedicin. Han tog examen 1968 med en kandidatexamen i zoologi, men avvisades av medicinska skolor i USA. Han gick in på universitetet i Bologna i Italien, men lämnade 1971 för New York University och tjänade en master of arts i yrkesmässig biomekanik.

Jarvik sökte jobb vid University of Utah. Direktören för Institutet för biomedicinsk teknik och Avdelningen för konstgjorda organ, Willem Kolff, hade utvecklat ett konstgjort hjärta sedan mitten av 1950-talet. Jarvik började som sin labbassistent och tog sin medicinska examen 1976.

den 2 December 1982 transplanterade läkare det första konstgjorda hjärtat till en människa. Denna plast-och aluminiumanordning, Jarvik-7, implanterades i Barney Clark, som överlevde i 112 dagar efter operationen. Flera andra patienter fick Jarvik – 7-hjärtan men ingen levde mer än 620 dagar. De främsta fördelarna var att det inte skulle vänta på ett mänskligt hjärta och det fanns ingen chans att avvisa. Den uppenbara fallgropen som patienter var för alltid anslutna till en tryckluftsmaskin via rör.

Jarvik-7 användes så småningom som en stopgap-åtgärd för patienter som väntar på naturliga hjärtan och gav hopp om att det inte skulle vänta på transplantationer. 1998 fortsatte Jarvik arbetet med en fristående enhet som skulle implanteras i en persons sjuka hjärta för att få den att fungera korrekt.

tillverkningsprocessen

• 1 de flesta komponenterna är gjorda enligt anpassade specifikationer av tillverkare från tredje part, inklusive maskinverkstäder och tillverkare av kretskort. Svinventilerna sys inuti transplantaten med suturer hos ett medicintekniskt företag som specialiserat sig på hjärtventiler.

  när alla komponenter har erhållits monteras och testas LVAD-systemet för att säkerställa att varje enhet uppfyller alla SPECIFIKATIONER. En gång testad kan LVAD steriliseras och förpackas för leverans.

bildar polyuretan delar

• 2 vissa konstgjorda hjärttillverkare gör sina egna polyuretandelar. En process använder en egen flytande lösning som hälls på en keramisk Dorn skikt för skikt. Varje skikt upphettas och torkas tills önskad tjocklek uppnås. Delen avlägsnas sedan från dornen och inspekteras. Annars använder en tillverkare från tredje part en formsprutning eller vakuumgjutningsprocess i kombination med radiofrekvenssvetsning.

församling

• 3 varje konstgjort hjärta tar flera dagar att sätta ihop och testa. Monteringsprocessen utförs i ett rent rum för att undvika förorening. Varje konstgjort hjärta består av upp till 50 komponenter som sätts ihop med speciella lim. Dessa lim kräver härdning vid höga temperaturer. Flera monteringsoperationer sker parallellt, inklusive montering av motorhuset och komponenterna, montering av det perkutana röret och fastsättning av pusherplattorna till polyuretanmembranet. Dessa delsystem inspekteras individuellt, då sker slutmontering av hela systemet. Transplantaten monteras separat och fästs under drift.

testning

• 4 när monteringen är klar Testas varje enhet med hjälp av specialutrustning som simulerar Tryck i kroppen. Alla elektroniska komponenter testas med elektronisk testutrustning för att säkerställa att alla kretsar fungerar korrekt.

sterilisering / förpackning

• 5 Efter det konstgjorda hjärtat testas och passerar, skickas det till en extern tjänst för sterilisering. Varje enhet är förseglad i plastbrickor och returneras till hjärttillverkaren. Den förpackas sedan i anpassade resväskor för att skydda den mot förorening och förhindra skador.

kvalitetskontroll

de flesta komponenter har redan passerat inspektion innan de anländer till hjärttillverkaren. Vissa komponenter inspekteras fortfarande dimensionellt eftersom de kräver snäva toleranser—i storleksordningen miljoner tum, vilket kräver speciella mätverktyg. För att uppfylla FDA-reglerna styrs varje komponent (inklusive lim) som används i processen av parti och serienummer så att spårningsproblem är möjliga.

biprodukter / avfall

skrot Titan återvinns och återvinns efter omsmältning och omarbetning. Annars produceras lite avfall eftersom de flesta komponenter har passerat inspektion innan de lämnar de olika tillverkarna. Andra defekta delar kasseras. När en enhet har använts av en patient skickas den tillbaka till hjärttillverkaren för analys för att förbättra designen.

framtiden

inom det närmaste decenniet kommer ett antal nya enheter att komma ut på marknaden. Pennsylvania State University forskare utvecklar ett elektromekaniskt hjärta som drivs av radiofrekvensenergi som överförs genom huden. En motor driver tryckplattor, som alternerar i pressning mot plastblodfyllda säckar för att simulera pumpning. Patienter bär ett batteripaket under dagen och sover med enheten ansluten till ett eluttag. Detta konstgjorda hjärta kommer att testas hos människor senast 2001.

flera forskargrupper utvecklar pumpar som cirkulerar blod kontinuerligt, snarare än att använda en pumpverkan, eftersom dessa pumpar är mindre och effektivare. I Australien utvecklar Micromedical Industries Limited en roterande blodpump med kontinuerligt flöde, som förväntas implanteras i en människa 2001. Ohio State Universitys kardiologiska avdelning utvecklar en plastpump storleken på en hockeypuck som är självreglerande. Denna pump implanteras hos patienter i flera veckor tills deras eget hjärta återhämtar sig.

Thermo Cardiosystems, Inc. arbetar också på en LVAD med en kontinuerlig flödesrotarpump), som förväntas implanteras någon gång år 2000, och en LVAD med en kontinuerlig flödescentrifugalpump. Den senare är fortfarande i en tidig utvecklingsfas, men är planerad att vara världens första lagerlösa pump, vilket innebär att den inte kommer att ha några delar som slits. Detta åstadkommes genom att magnetiskt suspendera pumpens rotor. Båda dessa enheter kommer att finnas tillgängliga med transkutan energiöverföring, vilket innebär att enheterna kommer att vara helt implanterbara.

med färre donatorhjärtan blir tillgängliga, utvecklar andra också ett konstgjort hjärta som är en permanent ersättning. Dessa ersättningar kan vara i form av en vänster ventrikelhjälpanordning eller ett totalt artificiellt hjärta, beroende på patientens fysiska tillstånd. LVAD utvecklas av uppfinnaren Robert Jarvik och den kända hjärtkirurgen Michael DeBakey. Totalt konstgjorda hjärtan utvecklas gemensamt av Texas Heart Institute och Abiomed, Inc. i Massachusetts. I Japan utvecklar forskare totala konstgjorda hjärtan baserade på ett silikonkulventilsystem och en centrifugalpump med ett lagersystem tillverkat av aluminiumoxidkeramik och polyetenkomponenter.

alternativ till konstgjorda hjärtan och hjärtpumpar är också under utveckling. Till exempel har en speciell klämma uppfunnits som förändrar formen på ett sjukt hjärta, vilket förväntas förbättra pumpeffektiviteten med upp till 30%. En sådan anordning kräver minimal invasiv kirurgi för att implantera.