创新背景

人类的心脏是我们身体中最复杂的器官之一。心脏在某种程度上就像一台机器——一个成年人每天要泵出大约8吨的血液。随着全球人口老龄化的加重，心脏病发病率随之增加，对人工心脏瓣膜和其他心脏设备的需求也逐渐增长，因此科学家正在结合工程学，寻找在心脏停止工作时保持持续跳动的方法。

人工瓣膜的设计模仿真实的、健康的心脏瓣膜，以帮助血液在体内循环。然而许多人工瓣膜都存在阀门周围泄漏等问题。研究人员为了改进人工瓣膜设计，必须反复测试它们，首先在简单的台式模拟器中，然后在动物实验中，最后才进行人体试验——这是一个艰苦而昂贵的过程。

创新过程

麻省理工学院的研究团队联合了来自南洋理工大学、都柏林皇家外科学院、波士顿儿童医院、哈佛医学院和麻省总医院的研究者，共同开发出一种仿生“心脏”，为测试人工瓣膜和其他心脏设备提供了更真实的模型。研究成果发表于《Science Robotics》杂志。

心脏通常通过挤压和扭曲来泵血，这是一种复杂的运动组合，是肌肉纤维沿着覆盖着每个心室的外层心肌排列的结果。该团队计划制造一种类似充气气泡的人造肌肉基质，与天然心肌的方向一致。但事实证明，通过研究心室的三维几何来复制这些模式极具挑战性。
他们最终发现了螺旋心室心肌带理论，该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。这一理论仍然是一些研究人员争论的主题，但罗奇和她的同事们把它作为他们设计的灵感。该团队没有试图从3D角度复制左心室的肌肉纤维方向，而是决定移除左心室的外部肌肉组织，并将其展开形成一条长长的扁平带——这种几何形状应该更容易重建。在这种情况下，他们使用了来自猪心脏移植的心脏组织。

磁共振成像下生物机器人混合心脏的结构

研究人员使用了扩散张量成像(diffusion tensor imaging)——一种跟踪水在大脑白质中流动的先进技术，来绘制左心室展开的二维肌束的显微纤维方向。然后，他们制作了一个由细气管制成的人造肌肉纤维基质，每一个都连接到一系列可充气的口袋或气泡，并根据成像的肌肉纤维的方向来设计它们。

这种软基质由两层硅树脂和两层激光切割纸组成，这两层硅树脂之间有一层水溶性树脂，以防止粘在一起，另外两层激光切割纸可以确保气泡以特定的方向膨胀。
该团队意识到，很少有软粘合剂能够充分将生物组织与合成材料（尤其是有机硅）粘合在一起。因此研究人员还开发了一种用来粘合生物组织及像硅胶材料的新型生物粘合剂，然后将气泡膜粘合到心室真正的心内组织上。这种新型粘合剂名为TissueSil，是通过化学交联的方法将有机硅功能化，并与心脏组织中的成分结合而制成的。研究人员将这种粘性液体刷到软机器人矩阵和新的移植的猪心脏上（这颗猪心脏的左心室被移除，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上时，两者紧密结合在一起。

生物机器人混合心脏的运动模仿超声心动图下心脏的泵送运动

最后，研究人员将整个混合心脏放入一个模子中，这个模子是他们之前铸造的完整心脏，然后用硅胶将混合心脏包裹在一个统一的外壳中——这一步产生了一个类似于真正心脏的形状，并确保机器人气泡膜紧贴在真正的心室周围。
当研究人员以类似自然跳动心脏的频率向气泡膜中注入空气，并对仿生心脏的反应进行成像时，它的收缩方式与真正的心脏向全身输送血液的方式类似。

创新关键点

研究团队创造了一种生物混合心脏，它结合了猪心脏和机械部件，将心脏原有的坚硬的肌肉组织替换为一种类似气泡膜的人造心脏肌肉的机器人软基质。人造肌肉的方向模仿了心脏天然肌纤维的模式，当研究人员远程充气气泡时，它们一起作用，挤压和扭曲内部心脏，类似于真正的完整心脏的跳动和泵血的方式，因此研究人员可以控制心脏的跳动运动来测试假体和人工瓣膜。

创新价值

该研究制造出的“生物机器人混合心脏”新设计，能够在心脏设备的监管测试中呈现出真实心脏中发生的情况，从而从而减少动物试验的数量或更快地迭代设计。未来，这种生物机器人混合心脏还有可能被用作人工心脏，挽救全球由于心力衰竭急需心脏移植的患者。