随着老年人口预计在未来十年中激增，美国的心脏病发病率也将大幅上升。对人工心脏瓣膜和其他心脏设备的需求——一个今天价值超过50亿美元的市场——预计在未来6年内将增长近13%。尽管Ginger的大只500代理小组以前已经开发出方法来“治愈”某些钙钛矿型太阳能电池中非辐射复合中心的缺陷，但理想情况下，大只500代理仍希望开发钙钛矿合成方法，以减少或完全消除非辐射复合。
人造瓣膜的设计是为了模仿一个真实的、健康的心脏瓣膜，帮助血液在体内循环。然而，它们中的许多都有诸如阀门周围的泄漏等问题，而致力于改进这些设计的工程师必须反复测试它们，首先在简单的台式模拟器中测试，然后在动物实验中测试，最后才能进行人体测试——这是一个艰难而昂贵的过程。
现在，麻省理工学院和其他地方的工程师已经开发出一种仿生“心脏”，它为测试人造瓣膜和其他心脏设备提供了一种更现实的模型。
该装置是一个真正的生物心脏，它坚硬的肌肉组织已经被一个柔软的人造心脏肌肉机器人矩阵所取代，类似于气泡膜。大只500代理关键的是，压力传感器阵列已经包含在大多数研究和商用燃气涡轮发动机中，用于其他用途，因此这种新方法可以同时测量和监视叶片 振动，从而提供了一种成本更低，效率更高的解决方案。人造肌肉的方向模仿了心脏的天然肌纤维的模式，当研究人员在远处吹气时，人造肌肉会一起挤压和扭曲心脏内部，就像真实的整个心脏跳动和输送血液一样。
有了这种被他们称为“生物机器人混合心脏”的新设计，研究人员设想，通过在生物混合心脏上进行测试，设备设计师和工程师可以更快速地重复和微调设计，大大降低心脏设备开发的成本。
麻省理工学院机械工程助理教授Ellen Roche说:“心脏设备的监管测试需要很多疲劳测试和动物测试。”“(新设备)可以真实地再现真实心脏中发生的事情，从而减少动物实验的数量，或更快地重复设计。”
罗奇和她的同事在《科学机器人》杂志上发表了他们的研究结果。她的合著者是第一作者和麻省理工学院研究生克拉拉公园,连同译林风扇,格雷戈尔海格,Hyunwoo趣事,Manisha辛格Allison Rojas,和赵Xuanhe麻省理工学院,南洋技术大学的合作者,在都柏林皇家外科学院,波士顿儿童医院,哈佛医学院和马萨诸塞州总医院(MGH)。
在进入麻省理工学院之前，罗氏曾在生物医学行业短暂工作过，帮助实验室在人造心脏模型上测试心脏设备。
罗氏回忆道:“当时我并不觉得这些台式装置代表了心脏的解剖结构和生理生物力学。”“在设备测试方面，需求没有得到满足。”
作为她在哈佛大学(Harvard University)博士工作的一部分，她在另一项研究中开发了一种柔软的、机械的、可植入的套管，设计用于包裹一个完整的活心脏，帮助它为心力衰竭患者泵血。
在麻省理工学院，她和帕克想知道他们能否将这两种研究方法结合起来，开发出一种混合型心脏:一种心脏部分由化学保存的、外植的心脏组织构成，部分由帮助心脏泵血的柔软的人工致动器构成。这样一个模型,他们提出,应该是一个更现实的和持久的环境中测试心脏设备,相比之下,要么完全人工模型,但不要捕捉复杂的解剖结构,或者是由一个真正的心脏移植,要求严格控制的条件下保持组织活力。
该团队曾考虑过用柔软的机械臂包裹一个完整的移植心脏，类似于罗氏之前的工作，但他们意识到，心脏的外层肌肉组织，即心肌，从体内取出后很快就会变硬。机械臂的任何收缩都不能充分地传导到心脏内部。
相反，研究小组寻找设计一种柔软的机器人基质的方法，以取代心脏的自然肌肉组织，无论是在材料还是功能上。他们决定首先在心脏的左心室试验他们的想法，左心室是心脏的四个腔室之一，它将血液输送到身体的其他部分，而右心室将血液输送到肺部的力量较小。
罗奇说:“由于左心室的工作压力较大，所以重建它比较困难，我们喜欢从困难的挑战开始。”
心脏,展开
正常情况下，心脏通过挤压和扭转来输送血液，这是一种复杂的运动组合，是由覆盖每个心室的心肌外层的肌纤维排列所导致的。大只500app下载在微交通网络上进行更多的投资可以提高我们当前交通运输系统的可靠性，金牌大只500系统为不可步行的旅程提供了公路和铁路两大主要网络。该团队计划制造一个类似于充气泡沫的人造肌肉矩阵，排列成天然心肌的方向。但是通过研究心室的三维几何结构来复制这些模式被证明是极具挑战性的。
他们最终发现了螺旋心室带理论，这个理论认为心肌本质上是一个巨大的螺旋带，包裹着每个心室。这一理论仍是一些研究人员争论的话题，但罗氏和她的同事将其作为设计的灵感。研究小组没有试图从三维角度复制左心室的肌纤维方向，而是决定移除心室的外层肌肉组织，将其展开，形成一个长长的、平坦的带状结构，这样重建起来会容易得多。在这种情况下，他们使用的心脏组织来自一个移植的猪心脏。
在与MGH的共同首席作者Chris Nguyen的合作中，研究人员使用弥散张量成像技术来绘制左心室展开的二维肌肉带的微观纤维方向。弥散张量成像技术是一种先进的技术，通常可以追踪水在脑白质中的流动。然后，他们制造了一个人造肌肉纤维矩阵，这些人造肌肉纤维是由细气管构成的，每根细气管都连接着一系列可充气的口袋或气泡。
柔软的基质由两层硅树脂和两层激光切割的纸组成，其中一层是水溶性的，以防止粘着;另外两层激光切割的纸可以确保气泡以特定的方向膨胀。
研究人员还开发了一种新型生物粘着剂，可以将气泡膜粘在心室的真正的心内组织上。虽然粘接剂的存在是为了将生物组织彼此粘合在一起，以及像硅树脂这样的材料彼此粘合在一起，但研究团队意识到，很少有软性粘接剂能够将生物组织与合成材料粘合在一起，特别是硅树脂。
因此，罗氏与麻省理工学院机械工程副教授赵合作，后者专门开发水凝胶基粘合剂。这种名为TissueSil的新型粘合剂是通过化学交联的方法使硅树脂功能化，从而与心脏组织中的成分结合而制成的。结果是研究人员将一种粘性液体刷到柔软的机器人基体上。他们还把胶水刷到一个新的移植的猪心脏上，这个心脏的左心室被切除了，但心内膜结构保留了下来。当他们将人造肌肉基质包裹在这个组织周围时，两者紧密结合。
最后,研究者将整个混合在一个模具,他们之前的原始,全心,充满了与硅胶模具,包住混合的心在均匀覆盖的步骤产生一种类似于一个真正的心脏和确保机器人汽泡纸紧紧粘在真正的心室。
“这样，你就不会失去从人造肌肉到生物组织的运动传递，”罗奇说。
当研究人员以类似自然心脏跳动的频率向气泡膜中泵入空气，并对仿生心脏的反应进行成像时，它的收缩方式与真实心脏向全身泵入血液的方式类似。
最终，研究人员希望利用仿生心脏作为一个现实的环境来帮助设计者测试心脏装置，如人工心脏瓣膜。
Nyugen说:“想象一下，一个病人在心脏设备植入之前可以进行心脏扫描，然后临床医生可以调整设备，使其在手术之前就能在病人身上发挥最佳效果。”“此外，随着组织工程的进一步发展，我们可能会看到生物机器人混合心脏被用作人工心脏——鉴于全球心力衰竭的流行，数百万人在竞争激烈的心脏移植名单上处于支配地位，这是一个非常必要的潜在解决方案。”