中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2019年 9月25日-27日 | 上海世博展览馆

聚合物在人造心脏领域的研究

2018-02-12

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人造心脏是一种替代人体自身心脏的装置,通常桥式装置的人造心脏可以用来维持等待心脏移植手术病人的生命,或者在病人无心脏可移植的情况下永久性地替代心脏。虽然在20世纪40年代后期就已经有其它类似的发明出现,但直到1982年,人类历史上才有了第一颗被成功植入人体的人造心脏——“Jarvik-7”。那么,从“Jarvik-7”问世至今,关于人造心脏的研究走到了哪一步?作为人造心脏的主要制造材料,聚合物在其中又起到怎样的作用?或许最近来自苏黎世的两项研究可以给出答案。



真正的塑料心脏

人造心脏绝对会成为心脏衰竭病人的救星。为了在临床应用中重造实验室中获得的复杂器官,首先需要研究如何生长多层的活体组织。现在,研究人员已经向这个目标迈进了一步:通过喷涂工艺,他们制造出了包裹在三维合成聚合物支架中的功能性肌肉纤维。

每一个因为心脏衰竭而需要进行移植手术的病人,都希望能够找到一个和自己配型合适的器官捐赠者,但这种概率非常小。因此,如果人造心脏在移植进人体后不会出现任何的排斥反应,那么这无疑会成为心脏移植的一个完美新选择。苏黎世大学医学院和瑞士国家联邦材料测试与开发实验室(EMPA)正在进行的一个心脏研究联合项目,就在研发这种人造心脏。为了确保实验室制造的人造心脏在人体内不会出现排异,就需要将人造心脏包裹在人体组织内,就好像是给人造心脏穿上一件隐形衣。迄今为止,多层功能性组织的培养已经成为了组织工程这一新兴领域的一大挑战课题。EMPA研究人员现在已经成功地让细胞在三维合成聚合物支架中发育生长成肌肉纤维。



1. 极具吸引力的选择:人造心脏

来自于EMPA位于圣加伦的仿生膜和仿生组织实验室的Lukas Weidenbacher解释称,人类的心脏是由几层不同的组织所构成,组织里的肌肉纤维在结构中起着决定性的作用,因为它们能够为心脏的持续跳动提供稳定性与灵活性。然而,在多层组织中培育出肌肉纤维是相当具有挑战性的,因为在这个过程中,首先必须将细胞嵌入一个三维支架中。Weidenbacher表示:“可以肯定的是,通过一些方法,比如所谓的静电纺丝技术,能够制造出与人体组织非常相似的三维聚合物结构。”该过程中,液态聚合物类似游丝的线会互相交织形成天然组织的形式,但是这个过程中需要使用一些有害的溶剂,这些溶剂对一些敏感的细胞会产生不良影响。



2. 人造心脏的保护帽

因此,EMPA研究人员将有价值的细胞包裹在保护性胶囊中,每个凝胶状胶囊中包含一到两个细胞,这样可以保护细胞免受溶剂的侵害。利用一种被称为电喷射的特殊喷涂工艺,可以将胶囊注射到纺丝支架的毛孔中,材料学家解释说:“采用这种保护方式,细胞在喷射之后仍然能够保持良好的状态。”一旦细胞沉降到理想的位置,凝胶状胶囊就会在几分钟内自行溶解掉。

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肌肉纤维的组织工程:将细胞包裹在保护性的胶囊中,然后喷到具有多层结构的聚合物支架上,最终这些细胞会脱落掉那些凝胶状的涂层,然后发展为成熟的肌肉细胞。(来源:EMPA)


扫描电子显微镜图像显示,细胞在其合成的聚合物卵巢中十分自在,一旦胶囊溶解了,未成熟的前体细胞开始结合并且成长为成熟的伸长肌肉纤维,终极目标是让其尽可能地成长为类似天然肌肉组织的结构。Weidenbacher说道:“由于人造心脏会不断地被血液循环灌注,所以人造心脏表面具有防止凝血的功能是非常重要的。”

 

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自然仿生的一层肌肉纤维生长在纺成的塑料支架上, 在共焦激光扫描显微镜下得到的景象, 红色的是肌肉纤维, 蓝色的是细胞核。( 来源:Lukas Weidenbacher)

 

3. 隐形于免疫系统的人造心脏

研究人员采用老鼠细胞系中未成熟的肌肉细胞来做一系列实验,这些前体细胞在支架中分化并且生成了通常在肌肉中才有的蛋白质。然而,未来的目标是从患者自身获取细胞,来包裹植入的人造心脏。通过这种方式,包裹人造心脏的细胞慢慢成长为肌肉纤维,在患者体内形成一颗真正的心脏,同时还能保持“隐形”于患者的身体免疫系统中。

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在染色电子显微镜下可以看到,最快7天之后,细胞就开始在(白色)支架中相互结合,并形成细长的(黄色)肌肉纤维。(来源:Lukas Weidenbacher)

 


柔软的有机硅心脏

苏黎世联邦理工学院功能材料实验室的研究人员已经研制出了一种有机硅心脏,这种心脏的跳动几乎和人类心脏的跳动一模一样。研究人员与苏黎世产品开发组的同事们一起合作,测试了这种有机硅心脏的工作效果。

有机硅心脏看起来就像一颗人类真正的心脏,这也是第一颗完全柔软的人造心脏的研制目标,即尽可能地模仿自然的人类心脏。有机硅心脏的发明者名叫Nicholas Cohrs,他是研究组中的一名博士生,该研究组由苏黎世联邦理工学院功能材料工程的Wendelin Stark教授所领导的。将人类的自然心脏作为模型来研制人造心脏的原因是显而易见的,因为目前所使用的人工血泵有许多的缺点,当患者缺乏生理脉冲时,血泵的机械部件就容易导致一些并发症,这对患者有一定的影响。

Cohrs表示:“因此,我们的目标就是为病人造一个与其自身心脏差不多尺寸大小的人造心脏,并且让这个人造心脏的形状与功能都尽可能地模仿人类的心脏。”一个功能完好的人造心脏对心脏患者来说是非常必需的,全球大约有2600万心脏衰竭的患者,但心脏供体极其短缺,患者在心脏恢复或者是其接受捐赠者的心脏移植之前,人造血泵可以帮助患者维持生命。



1. 关键材料:有机硅

有机硅也被称作聚硅氧烷,是一种包含由硅氧烷重复单元构成的惰性合成化合物的聚合物,其主链由交替的硅原子和氧原子组成,通常与碳和/或氢相结合。这种与橡胶相似的材料一般都耐高温,所以被用来制作密封剂、黏合剂、润滑剂、药品、炊具以及电/热绝缘体等。这类材料的常见形式包括硅油、硅脂、硅橡胶、硅酮树脂和硅酮填缝剂。

柔软的有机硅人造心脏是采用3D打印与失蜡铸造技术制造而成,总重为390克,体积为679立方厘米。Cohrs解释称:“这颗心脏其实是一个具有复杂内部结构的有机硅块。”和人类真正的心脏一样,有机硅人造心脏也是有一个右心室和一个左心室,不同的是左右心室并不是通过隔膜来分隔,而是通过第三个心室把左右心室隔开。这个额外的心室通过压缩空气一张一缩来输送血液,从而代替人体心脏的肌肉收缩。



2.  引导新的思考方向

苏黎世产品开发组的博士生Anastasios Petrou在Mirko Meboldt教授的带领下评估了这颗柔软人造心脏的性能,相关的实验结果已被研究人员发布在《人造器官》这本科学杂志上。

实验结果表明,柔软人造心脏的工作与跳动模式基本上与人类心脏类似。但存在的一个问题是,目前这颗人造心脏只能跳动大约3000次左右,也就是差不多30分钟到45分钟的时间,之后,人造心脏的材料就无法再承受应变。Cohrs解释称:“这只是一个简单的可行性实验,我们的目标并不是设计一颗移植入体内可以永久工作的心脏,但这也是思考人造心脏未来发展的一个新方向。”毫无疑问的是,人造心脏材料的拉伸强度与性能必须得到显著的提升。



3. 多方结合推进苏黎世心脏研究项目

Cohrs和Petrou因为苏黎世心脏研究项目而结识,这个研究项目属于苏黎世大学医学院的旗舰项目,集结了来自苏黎世和柏林不同学科和机构的20个研究小组。一部分的研究主要集中在对现有血泵的改进,比如如何减小泵的机械部分引起的血液损伤;另一部分的研究则是探索极具弹性的隔膜或是更加具有生物相容性的表面。这些研究都是通过与来自苏黎世和柏林临床医生的紧密合作完成的。

研究人员之间的紧密交流同时也为苏黎世心脏的子研究项目带去了益处。正在从事血泵新技术研究的苏黎世产品开发组的博士生们开发了一个可以模拟人体心血管系统的测试环境,利用这个测试环境再加上使用粘度与人类血液相当的液体,有机硅心脏的研究人员就可以用来进行他们自己的开发工作。Petrou自豪地称:“目前,我们的这个系统可能是全世界最好的。”



结论

随着医学及材料科学等领域的快速发展,多学科结合研究促使医学迈进一个新高度,其中聚合物在医学、医疗技术以及卫生领域发挥出重要作用。如今聚合物在人造心脏上的应用取得进一步发展,类似地,在其他人造器官上,如人造肝脏、人造耳等方面,科学家也在开发聚合物的深度应用,相信在未来这些都将切实应用于临床,为众多患者带来希望。

来源:荣格