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完全人工製造的心脏,离我们已经不远

2020-07-03 14:08

完全人工製造的心脏,离我们已经不远

在工程学的角度看来,人的心脏是一个奇蹟。在成年人胸腔的心脏,心肌平均每天跳动近十万次,主动脉泵血后,透过动脉向全身输血,包括大脑分支及脚趾。

由于心脏複杂的生理结构,生物医学工程师需要耗费漫长的时间来建造一个机械複製品,使用人工心脏来保持心脏衰竭患者良好地活下去。自 1950 年代以来,雄心勃勃的研究人员试图建造人工心脏,但频频出现障碍。现在,四家公司认为他们找到了正确的技术,他们试图证明这个技术。临床试验和动物试验终于证明永久性人工心脏的可靠性,已準备于 2017 年应用于临床。

目前,仅在美国约 570 万人诊断为心脏衰竭,意味着他们的心脏将逐渐变得无法有效泵血。一些病情严重的患者加入了心脏移植手术的等待名单,但由于捐赠的心脏稀少,许多患者在等待中死亡。

来自美国亚利桑那州的 SynCardia 系统(见首图)的人工心脏已经被美国监管部门批准为「移植桥梁」,现在该公司正在招募患者进行临床试验,将该设备做为永久替代品进行测试。SynCardia 公司 CEO Michael Garippa 说,这项试验的範围很小,只有 28 名患者。之前,已经有超过 1,600 个短时间安置人工心脏的患者证明 SynCardia 心脏是安全的。

Garippa 相信,基于设备简单性的设计,SynCardia 心脏是耐用的。他说:「病人身体内没有任何电子元件。」SynCardia 的心脏有两个塑料腔室,来模仿心脏。每个塑料腔室被一层膜分为两部分,一部分是具有空气的心室,另一部分是具有血液的心房。具有 SynCardia 心脏的患者携带 6 千克的空气压缩机,压缩机连接着穿过腹部的管道,将空气输送到两个心室,透过推动它们的膜以推动另一侧心房的血液泵出。压缩机以每分钟 120 次的稳定速率工作,但伴有响亮的声音。「这虽然不是正常人的生活,但它的跳动方式比心脏衰竭患者以前的心脏跳动更强健。」Garippa 说。

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图片为具有 Syncardia 心脏的患者需要携带一个 6 公斤的箱子,箱子里面是电池和驱动气动泵的空气压缩机。

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图为SynCardia 心脏保持跳动的过程:在 SynCardia 心脏里,空气推动膜运动,继而推动另一侧血液泵出。

法国一家名为 Carmat 的公司希望把人工心脏做得更好。「我们的系统非常安静。」Carmat 的首席医疗负责人 Piet Jansen 说。Carmat 心脏像 SynCardia 的设备一样,也有两个人工腔室,透过膜片向外按压泵血。Carmat 心脏使用植入泵,将液压流体替代压缩空气来驱动膜片。虽然 Carmat 的心脏比 SynCardia 的设备更大、更重、更複杂,但它具有感应器能够根据患者的运动水平来计算患者适合的心率,并透过微处理器来改变心率,Carmat 的设计师为这一项设计而感到自豪。电线需要从患者背部绕到颈部连接三公斤的电池组。

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图为 Carmat 人工心脏,Carmat 人工心脏的操作原理与 Syncardia 设备类似,但是 Carmat 系统是使用液压流体代替空气泵输送血液。

Carmat 的第一个可行性研究似乎是曲折的:四个病人中有两个在三个月内死亡。行业分析师 Andrew Thompson 最近撰写了一篇关于人工心脏的报告,他说这些患者极度虚弱,他们离世并不是设备的故障,是因为患者身体的原因。

欧洲监管机构已经批准了 Carmat 在今年 8 月推出的主要临床试验。监管机构一定会批准该公司接下来的实验,Carmat 外科医生预计于 2017 年底将其装置植入约 20 名患者体内,并希望在 2018 年,其人工心脏能够被认证为欧洲人的永久性替代装置。

另外两家公司尚未进入临床试验阶段,这两家公司採用的技术方法,专家认为更具有发展前景。两家公司都拒绝使用膜来推动血液,而是使用具有旋转功能的离心泵,透过扇形叶片的旋转将血液推向前方,透过动脉运输恆定的血流量。利用 Cleveland Clinic 开发的技术,Cleveland Heart 的人工心脏在 2015 年植入了两只小牛体内,进行了为期 90 天的试验,小牛依旧健康地活着。在美国德州,一家名为 Bivacor 的公司目前正在与德州心脏研究所合作,在小牛体内进行 90 天的研究。两家公司仍在调整他们的设计面向于人类进行试验。

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图为来自美国德州的 Bivacor 公司的人工心脏,被安置在小牛体内进行测试。

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图为 Bivacor 心脏保持跳动的过程:Bivacor 心脏用安装在共同轮圈上的两个离心式叶轮推动血液,该轮圈透过磁悬浮保持悬浮状态。

Gianluca Torregrossa 是一名心脏外科医生,他已经植入了 SynCardia 设备,并记录人工心脏研究的进展,他急切地观察 Carmat 和 Bivacor 这两家公司。Torregrossa 说,两家公司「连续流动」的设计更加优良,如果两家公司的设备移动零件更少的话,将有更好的未来。

当涉及临床试验时,所有的技术必须在非常艰难的情况下证明自己。SynCardia 公司的 Garippa 说:「医生不希望将患者转诊到科学计画,除非患者已经别无选择。如果该技术适用于这些病重患者,那便可证明这是可靠的人工心脏。2017 年的试验终于可以证明人类所创造的奇蹟,这是一项工程学奇蹟,而不是生物学奇蹟。」

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