قلب مصنوعی (Bionic Heart)

محققان با این طراحی جدید که آن را قلب هیبریدی بیوروبیوتیک می‌نامند پیش‌بینی می‌کنند که طراحان و مهندسان دستگاه می‌توانند با ((آزمایش بر روی قلب بیوهیبرید با سرعت بیشتری طراحی و تنظیمات را انجام دهند و باعث کاهش چشمگیر هزینه‌ی توسعه و ساخت دستگاه قلبی شوند.)) الن روچه، استادیار مهندسی مکانیک در MIT میگوید: "آزمایش نظارتی دستگاه‌های قلبی نیاز به تست‌های زیاد و آزمایش روی حیوانات دارد. می‌تواند واقعا آنچه را که در یک قلب واقعی اتفاق می‌افتد، نشان دهد تا میزان آزمایش حیوانات را کاهش داده یا طراحی را سریع‌تر تکرار کند."

مکانیک قلب:

روچه به طور خلاصه در MIT پیش از آمدن به صنعت زیست پزشکی کار کرد و به آزمایش دستگاه‌های قلبی بر روی مدل‌های قلب مصنوعی در آزمایشگاه کمک کرد. در تحقیقات جداگانه به عنوان بخشی از کار دکترای خود در دانشگاه‌هاروارد، او یک آستین نرم روباتیک قابل کاشت طراحی کرد که به دور یک قلب زنده بپیوندد تا بتواند خون را در بیمارانی که از نارسایی قلبی رنج می‌برند، جمع کند. او و پارک علاقمند بودند که بدانند آیا می‌توانند دو راه تحقیقاتی را با هم ترکیب کنند، برای ایجاد یک قلب هیبریدی: قلبی که بخشی از آن با بافت قلبی زیست‌سازگار ساخته شده، و بخشی از محرک‌های مصنوعی نرم که به قلب کمک می‌کنند تا خون را پمپ کند. به گفتۀ آن‌ها، چنین الگویی در مقایسه با مدل‌هایی که کاملا مصنوعی هستند اما آناتومی‌پیچیدۀ قلب را دارا نیستند، یا مدل‌هایی که از خود قلب واقعی ساخته شده و نیازمند یک محیط با شرایط بسیار خاص برای زنده نگه‌داشتن بافت هستند، می‌تواند یک محیط واقعی‌تر و بادوام‌تر داشته باشد که در آن بتوان این دستگاه‌های قلبی را آزمایش کرد.

این تیم در روند ساخت، دریافت که بافت عضلۀ بیرونی قلب یعنی میوکارد، هنگام خارج شدن از بدن به سرعت سفت می‌شود. پس هرگونه انقباض روباتیک قادر به وارد کردن نیروی کافی به قلب نخواهد بود. در عوض تیم به دنبال راه‌هایی برای طراحی ماتریس روباتیک نرم برای جایگزینی بافت عضلۀ طبیعی قلب، از نظر مواد و عملکرد بودند. آن‌ها تصمیم گرفتند ایدۀ خود را ابتدا در بطن چپ قلب، یکی از چهار بخش در قلب، که خون را به قسمت دیگر بدن می‌رساند، امتحان کنند، درحالیکه بطن راست از نیروی کمتری برای پمپ کردن خون به ریه‌ها استفاده می‌کند.

روچه می‌گوید:"بازآفرینی بطن چپ با توجه به فشارهای عملیاتی بالاتر، سخت‌تر است و ما دوست داریم با چالش‌های سخت شروع کنیم."

قلب،ناگسستنی:

قلب به طور معمول با فشرده شدن خون را پمپ می‌کند، ترکیبی پیچیده از حرکات که نتیجۀ تراز الیاف ماهیچه‌ها در طول ماهیچۀ بیرونی است که هریک از بطن‌های قلب را دربرمی‌گیرد. این تیم قصد داشت ماتریسی از ماهیچه‌های مصنوعی را که شبیه کیسه‌های بادی هستند، تنظیم کنند و در جهت‌های عضلۀ قلب طبیعی قرار بگیرند. اما کپی کردن این الگوها با مطالعه ی هندسه‌ی سه‌بعدی بطن بسیار چالش برانگیز بود. آن‌ها سرانجام به تئوری باند میوکارد بطنی مارپیچی رسیدند، این ایده که عضله ی قلبی اساسا یک باند بزرگ ماپیچی است که به دور هریک از بطن‌های قلب پیچیده می‌شود. این نظریه هنوز مورد بحث برخی از محققان است، اما روچه وهمکارانش این طرح را الهام بخش طراحی خود قرار دادند. این تیم به جای تلاش برای کپی کردن جهت فیبرعضلانی بطن چپ از منظر سه بعدی، تصمیم گرفت که بافت عضلۀ بیرونی بطن را جدا کرده و آن را باز کند تا باند طولانی و مسطحی ایجاد کند – هندسه‌ای که برای بازآفرینی آن بسیار ساده‌تر است. در این حالت، آن‌ها از بافت قلبی قلب خوک استفاده می‌کردند.

محققان از تصویربرداری تانسور انتشاری استفاده کردند، که یک تکنیک پیشرفته است که معمولا چگونگی انتشار جریان آب را از طریق مادۀ سفید موجود درمغز ردیابی می‌کند، تا جهت گیری فیبر میکروسکوپی باند عضلانی دو بعدی غیرقابل شکستن در بطن چپ را مشخص کند. آنها سپس ماتریسی از الیاف ماهیچه‌های مصنوعی ساخته شده از لوله‌های نازک هوا را ساختند که هرکدام به یک سری کیسه‌های بادی متصل شده‌اند، جهت‌گیری آن‌ها از الیاف عضله‌ای تصویربرداری شده الگوبرداری شده است.

ماتریس نرم از دو لایه سیلیکون تشکیل شده است که یک لایه‌ی محلول در آب بین آن‌ها (برای جلوگیری از چسبیدن لایه‌ها) و همچنین دو لایه ورقه با برش لیزری وجود دارد که این امر باعث میشود کیسه‌ها در جهت گیری خاصی متورم شوند.

محققان همچنین نوع جدیدی از چسب زیستی را برای چسباندن کیسه‌ها به بافت واقعی و داخل قلب بطن ایجاد کردند. درحالیکه چسب برای اتصال بافت‌های بیولوژیکی به یکدیگر وجود دارد، و همچنین چسب برای اتصال موادی مانند سیلیکون به یکدیگر هم وجود دارد، تیم متوجه شد که تعداد کمی چسب‌های نرم مناسب برای چسباندن بافت بیولوژیکی با مواد مصنوعی به هم (به ویژه سیلیکون) وجود دارد.

سرانجام، محققان قلب هیبریدی را در قالبی قرار دادند که قبلا آن را از قلب اصلی قالب گرفته بودند و قالب را با سیلیکون پر کرده بودند تا قلب ترکیبی را دریک پوشش یکنواخت قرار دهند- عملی که باعث ایجاد فرم شبیه به قلب واقعی شد و اطمینان حاصل شد که کیسه‌ی رباتیک، به طور کامل در بطن واقعی قرار می‌گیرد.

گردآوری: یاسمن سبحانی، لیلا اسلام‌پور