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人工心臟的設計就如同幫浦?

人工心臟的設計就如同馬達幫浦? Credit: rfc1036@Flickr CC BY-SA 2.0

人工「幫浦」

全世界需要心臟移植的數量相當多,但捐贈數量總是供不應求。也就是說,因為各種心臟疾病,需要「換心」的患者,總是不容易等到捐贈的心臟。常見的解決方式,就是讓患者在這段期間,以可攜式體外心臟來撐過這段等待心臟移植的的時間。而這種「人工心臟」,說穿了就是一個血液循環幫浦,加上自動調節的功能,來替代患者心臟打出血液,提供全身循環的功能。然而,這些可用的機械心臟,沒有心臟跳動的訊息傳遞;金屬材質製作而成,較人類真實的心臟(約拳頭大小)重。儼然還是ㄧ種血液「馬達幫浦」的概念。哪麼,有沒有可能以相似心臟的軟性材質來設計一個人工心臟?

材料疲勞對設計的限制

瑞士「蘇黎世聯邦理工學院」(ETH Zürich),近日發表一個矽膠材料,以3D列印搭配「脫蠟鑄造技術」(lost wax casting)製作而成的人工心臟,約莫390公克,體積679 立方公分;此心臟只有兩個心室,省略心房的設計。之所以省略心房的原因大概可以猜測得到,因為心房為儲存血液的腔室,如果直接將血液導入心室,心房便可以省略。但這個以矽膠列印的心臟,只能作動3000次左右(約莫半小時到一小時),就無法承受心臟幫浦作動時,因為材料疲勞,而破裂。

能預測設計的作動極限?

如果以人均每分鐘70次心跳,80年壽命來計算,心臟一生跳動約30億次,目前很難有一種人造材料能夠達到這種疲勞壽命的要求。以上述3D列印模型而言,材料、幾何形狀、溫度、列印層厚度…等因素都會影響模型內的應力分佈,也就關係到結構強度,影響疲勞壽命。那麼,這有辦法在列印之前,先計算來預測嗎?近年來電腦輔助分析軟體(Computer Aided Engineering, CAE)已具備針對3D列印做模擬的功能,其輸入的成型參數包含列印層厚度、溫度等等,在模擬出來後,可了解列印成品的應力分佈;這個僅具雙心室的人工心臟,在3D列印成型條件模擬之後,可進ㄧ步分析計算每次作動的形變,搭配該矽膠材料的疲勞壽命曲線圖(Stress-Cycles to Failure Curve, S-N Curve),就能預測出以該人工心臟能夠作動的次數。或許不用去設計一個80年壽命的心臟,若能有個2至3年的壽命,讓患者度過心臟移植的等待期,也是另一個想法。

表面抗凝血處理

另外,由於血液流經、沾附的材料都有血液凝結的顧慮,若前述的3D列印技術能搭配美國哈佛大學發表在期刊「自然-生物技術」(Nature Biotechnology)的抗凝血和細菌附著塗層技術加工,那就有機會開發真的3D列印且耐用的人工心臟。

文章參考:ETH Zürich
影片來源:ETH Zürich
圖片來源:rfc1036@Flickr  CC BY-SA 2.0


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。