救命的人造心

如果心脏“跳”不动了……

心脏陪伴着人度过一生。在心脏的作用下,血液才得以在人全身流动,血液循环参与物质代谢和能量传输等功能。一旦心脏功能受损,人的生命安全就会受到极大的威胁。据报道,全球大约有2200万人罹患心脏衰竭,而且这一人数仍在快速增长。心脏衰竭是指心脏动力不足,无法泵龊量血液至全身,进而导致呼吸困难、过度疲惫和下肢水肿等,严重影响患者的日常生活,甚至危及患者生命。

健康心臟相比,衰竭心脏的泵血量减少了(“箭头”表示血流方向和大小)心脏衰竭会严重影响患者的日常生活,甚至危及患者生命。

心脏是如何把血液泵送到全身的?

心脏就像一个“水泵”,掌管着“抽水”和“排水”,我们可以将心脏想象成两宣两厅的两层小楼房,其中上层是左右心房,下层是左右心室。首先,心室收缩时,身体的缺氧血会从静脉流入右心房,再流入右心室,然后右心室把缺氧血泵入肺部。缺氧血在肺部释放二氧化碳并吸收氧气,变为充氧血,流入左心房,经过左心室后被泵送至全身,流至全身的血液供细胞呼吸后又生产二氧化碳和代谢物,又变回缺氧血,再次流回至心脏(右心房)……所以,心脏的跳动维持着全身的血液循环,带给其他器官氧气和养分。一颗健康的心脏每天要跳动约10万次,才能保证人体正常运转。

人体血液循环示意图

目前,在心衰患者中,约44%的人正依靠强心药来维持生命。约23%的人依靠心室辅助装置来维持心脏功能。同时等待进行心脏移植。然而。与其他移植器官相比,供体心脏的短缺更为严重。为了解决这一难题,科学家将目光转移到了研发人工心脏上。

心室辅助装置Impella5.5通过泵从左心室抽取血液,并将血液从导管排出至升主动脉

什么是人工心脏?

人工心脏是一种可植人体内的装置,分为辅助人工心脏和完全人工心脏两类,用以代替心脏的部分或全部功能。简单来讲,人工心脏的作用就是帮助或代替心脏泵血,为心衰患者的全身血液循环提供源源不断的动力。

目前,人工心脏在临床上的应用主要分为三个方面:第一,作为等待进行心脏移植的过渡期的替代品,为患者争取更多的时间,以寻找到合适的供体;第二,为急性心衰患者提供短期替代支持,待心脏功能恢复后撤除;第三,为终末期心衰患者提供长期替代,支持患者携带人工心脏长期生存。

从理论上讲,任伺形式的“水泵”都可以作为机槭式的人工心脏。但由于人体的特殊性,“水泵”带动血液流动的速度、“水泵”的便携性、由“水泵”引起的免疫反应以及“水泵”的稳定性。都是必须考虑的方面。

综合以上方面,科研人员研发了另一种全人工心脏——全磁悬浮人工心脏。

国产全磁悬浮人工心脏

全磁悬浮人工心脏的原理并不复杂,只需要利用磁力使转子(旋转式机械的转动部分)悬浮在腔体中,并通过控制电流来实现转子的转动。这和磁悬浮列车的原理大同小异,甚至和磁悬浮玩具没什么区别。但作为和患者长期共存的医疗器械,全磁悬浮人工心脏的运行稳定性可达到极高的要求,同时其体积大小和生物相容性对人体的影响也比之前的人工心脏好得多。

磁悬浮地球仪

目前。苏州大学人工器官研究所研发的新型全磁悬浮人工心脏处于世界领先水平。其外观像一只蜗牛,主要材质为钛合金。该装置的直径仅为50毫米,厚度仅为26毫米,重量不到180克。该装置利用电磁铁、永磁体和转子等构成泵体,实现对血流的驱动。

全磁悬浮人工心脏泵体中的核心部分是一个锯齿状的转子,其上方和下方分别是电磁铁和永磁体,二者产生的磁场使转子悬浮于泵体中。通过改变电磁铁的电流大小来改变磁场强度,产生不断变化的磁力,带动转子转动。泵体通过两根导管来分别引入和导出血液。由于转子结构的特殊性,其在转动过程中会对导管中的血液施加一个负压的吸力,来将血液“吸入”泵中,同时又会对被“吸入”泵中的血液施加一个正压的推力,使血液从另一只导管泵出,从而模仿血液在心脏中的泵送过程。

与普通转子相比。全磁悬浮人工心脏的转子还具备一定的减震功能,旨在提高装置随人体移动时的运行稳定性。在生物相容性方面,由于悬浮的转子不需要血液作为转动的润滑剂,而且实现了比液体动压轴承大得多的悬浮间隙,因此大大减轻了对血液成分的破坏。

电动磁悬浮装置示意图

如今,这种全磁悬浮人工心脏还处在临床试验阶段。第一位接受移植试验的是一位来自河北省的青年心衰患者。在未接受移植前,该患者常感到身体绵软无力、呼吸困难,每天基本上只能躺在床上休息。2021年1月,全磁悬浮人工心脏被成功移植到该患者体内。据患者自述,手术前走二三十米都喘得厉害,现在走1000米都没问题,而且还可以自己上下楼梯,不需要别人搀扶。基本实现了生活完全自理。

不算复杂的原理结合高难度的技术,造就了全磁悬浮人工心脏。相信在不久的将来,全磁悬浮人工心脏将会为更多的心衰患者带来全新的“心跳”。

转动着的锯齿状的转子

人工心脏的发展历史

早在20世纪中叶,科学家就开启了对人工心脏的探索道路。1953年,全球第一台心肺机为一名接受手术的心脏病患者实现了26分钟的完全呼吸一循环支持,初步证实了用人工器械模拟心脏功能的可行睦。1957年,第一颗人工心脏问世。医生把它植入一只狗体内,但这只狗仅继续存活了90分钟。1969年,全球第一例人工心脏植入手术成功完成,为一名等待接受人体心脏移植的患者争取了64小时的宝贵时间,但该患者在接受人体心脏移植32小时后死于感染性肺炎。1981年,全球第二例人工心脏移植手术完成,接受移植的患者在继续存活55小时后接受了人体心脏移植。不幸的是,这名患者在接受人体心脏移植10天后死于感染,肾衰竭和肺部并发症。1982年,全人工心脏被首次植入一位61岁患者体内,该患者于112天后死亡。2004年,经过改进的全人工心脏问世。在接受移植的患者中,存活时间最长的达1374天。

到了20世纪90年代,以搏动式血泵为核心的全人工心脏问世,但因其对血液成分破坏严重,接受者溶血(血红细胞不正常分解和死亡)和血栓发生率高,且体积大、使用寿命短,已基本被淘汰。进入21世纪后,旋转式血泵成为人工心脏领域的主流产品。其中,第一代(机械接触式轴承)和第二代(液體动压轴承)也因为对血液成分破坏严重,都相继被市场淘汰。

第三代全人工心脏以全磁悬浮式血泵为核心部件。与前两代相比,其优点是转子易控制、寿命长、对血细胞破坏小(从而能降低血栓和溶血的发生概率),体积小(适用于体内移植)以及功耗低。全磁悬浮人工心脏的研发,使全人工心脏领域迈向了一个新的阶段。

早期接受全人工心脏移植的心衰患者需要时刻有人陪伴在旁,以防止机器故障;移植者需要永远和电源包保持连接,同时必须服用大量的血液稀释剂来维持正常体温;亮移植者不能泡水,无法常去公共场合,因为其电源包会一直发出嗡嗡的声音,引人侧目

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午9:00。
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