Trái tim robot in 3D của MIT trông và bơm giống như thật

Trái tim robot in 3D của MIT trông và bơm giống như thật

    Trái tim robot in 3D của MIT trông và bơm giống như thật

    3D Printed Heart Simulator

    Các kỹ sư của MIT đang hy vọng có thể giúp các bác sĩ điều chỉnh các phương pháp điều trị phù hợp với hình dạng và chức năng tim cụ thể của bệnh nhân, bằng một trái tim robot tùy chỉnh. Nhóm đã phát triển một quy trình in 3D một bản sao mềm và linh hoạt của trái tim bệnh nhân. Tín dụng: Melanie Gonick, MIT

    Các mô hình tim rô bốt mềm dành riêng cho bệnh nhân và có thể giúp các bác sĩ lâm sàng tập trung vào việc cấy ghép tốt nhất cho một cá nhân.

    Không có hai trái tim đập giống nhau. Kích thước và hình dạng của trái tim có thể thay đổi từ người này sang người khác. Những khác biệt này có thể đặc biệt rõ rệt đối với những người mắc bệnh tim, vì tim và các mạch máu chính của họ phải làm việc nhiều hơn để khắc phục bất kỳ chức năng nào bị tổn hại.

    Các kỹ sư của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đang hy vọng có thể giúp các bác sĩ điều chỉnh các phương pháp điều trị phù hợp với hình dạng và chức năng tim cụ thể của bệnh nhân bằng một trái tim rô-bốt tùy chỉnh. Nhóm đã phát triển một quy trình in 3D một bản sao mềm và linh hoạt của trái tim bệnh nhân. Sau đó, họ có thể kiểm soát hành động của bản sao để bắt chước khả năng bơm máu của bệnh nhân đó.

    Quy trình này trước tiên bao gồm chuyển đổi hình ảnh y tế về tim của bệnh nhân thành mô hình máy tính ba chiều, sau đó các nhà nghiên cứu có thể in 3D bằng mực dựa trên polyme. Kết quả là một lớp vỏ mềm, linh hoạt có hình dạng chính xác như trái tim của bệnh nhân. Nhóm nghiên cứu cũng có thể sử dụng phương pháp này để in động mạch chủ của bệnh nhân - động mạch chính mang máu từ tim đến phần còn lại của cơ thể.

    Để bắt chước hoạt động bơm máu của tim, nhóm nghiên cứu đã chế tạo các tay áo tương tự như vòng bít đo huyết áp quấn quanh một trái tim in hình và động mạch chủ. Mặt dưới của mỗi tay áo giống như bọc bong bóng có hoa văn chính xác. Khi ống bọc được kết nối với một hệ thống khí nén, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh luồng không khí thoát ra để thổi phồng nhịp nhàng bong bóng của ống bọc và co bóp tim, bắt chước hoạt động bơm của nó.

    Các nhà nghiên cứu cũng có thể thổi phồng một ống bọc riêng biệt bao quanh động mạch chủ được in để thắt chặt mạch máu. Họ nói rằng sự co thắt này có thể được điều chỉnh để bắt chước chứng hẹp động mạch chủ - tình trạng van động mạch chủ hẹp lại, khiến tim phải làm việc nhiều hơn để đẩy máu đi khắp cơ thể.

    Robotic Heart Replica

    Hoạt động của các mô hình rô-bốt mềm có thể được điều khiển để bắt chước khả năng bơm máu của bệnh nhân. Ảnh: Melanie Gonick, MIT

    Các bác sĩ thường điều trị chứng hẹp động mạch chủ bằng cách phẫu thuật cấy ghép một van tổng hợp được thiết kế để mở rộng van tự nhiên của động mạch chủ. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu cho biết các bác sĩ có thể sử dụng quy trình mới của họ để in tim và động mạch chủ của bệnh nhân trước tiên, sau đó cấy nhiều loại van vào mô hình in để xem thiết kế nào mang lại chức năng tốt nhất và phù hợp với bệnh nhân cụ thể đó. Các bản sao trái tim cũng có thể được các phòng thí nghiệm nghiên cứu và ngành công nghiệp thiết bị y tế sử dụng làm nền tảng thực tế để thử nghiệm các liệu pháp điều trị các loại bệnh tim khác nhau.

    Luca Rosalia, một sinh viên tốt nghiệp Chương trình MIT-Harvard về Khoa học và Công nghệ Sức khỏe cho biết: “Tất cả các trái tim đều khác nhau. “Có nhiều biến thể lớn, đặc biệt là khi bệnh nhân bị ốm. Ưu điểm của hệ thống của chúng tôi là chúng tôi có thể tái tạo không chỉ hình dạng trái tim của bệnh nhân mà còn cả chức năng của nó trong cả sinh lý học và bệnh tật.”

    Rosalia và các đồng nghiệp của anh ấy báo cáo kết quả của họ trong một nghiên cứu đăng trên Science Robotics hôm nay. Các đồng tác giả của MIT bao gồm Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang và Ellen Roche, cùng với Benjamin Bonner của Bệnh viện Đa khoa Massachusetts, James Weaver của Đại học Harvard và Christopher Nguyễn, Rishi Puri và Samir Kapadia tại Phòng khám Cleveland ở Ohio.

    In và bơm
    Vào tháng 1 năm 2020, các thành viên trong nhóm, do giáo sư kỹ thuật cơ khí Ellen Roche đứng đầu, đã phát triển một “trái tim lai rô-bốt sinh học” — một bản sao chung của trái tim, được làm từ cơ tổng hợp chứa các xi-lanh nhỏ, có thể bơm hơi, mà họ có thể điều khiển để bắt chước các cơn co thắt của một quả tim. tim đập thật.

    Ngay sau những nỗ lực đó, đại dịch Covid-19 đã buộc phòng thí nghiệm của Roche, cùng với hầu hết các phòng thí nghiệm khác trong khuôn viên trường, phải tạm thời đóng cửa. Không nản lòng, Rosalia tiếp tục điều chỉnh thiết kế bơm tim ở nhà.

    Rosalia nhớ lại: “Tôi đã tạo lại toàn bộ hệ thống trong phòng ký túc xá của mình vào tháng 3 năm đó.

    Nhiều tháng sau, phòng thí nghiệm mở cửa trở lại và nhóm tiếp tục từ nơi đã dừng lại, làm việc để cải thiện khả năng kiểm soát của ống bơm tim mà họ đã thử nghiệm trên động vật và mô hình máy tính. Sau đó, họ mở rộng cách tiếp cận của mình để phát triển các bản sao tay áo và trái tim dành riêng cho từng bệnh nhân. Đối với điều này, họ chuyển sang in 3D.

    “Có rất nhiều mối quan tâm trong lĩnh vực y tế trong việc sử dụng công nghệ in 3D để tái tạo chính xác giải phẫu bệnh nhân để sử dụng trong việc lập kế hoạch và đào tạo trước thủ thuật,” Wang, một bác sĩ nội trú phẫu thuật mạch máu tại Trung tâm Y tế Beth Israel Deaconess ở Boston, lưu ý.

    Một thiết kế bao gồm
    Trong nghiên cứu mới, nhóm đã tận dụng công nghệ in 3D để tạo ra các bản sao tùy chỉnh của trái tim bệnh nhân thực tế. Họ đã sử dụng một loại mực dựa trên polyme, một lần 

    được chữa khỏi và chữa khỏi, có thể co bóp và kéo dài, tương tự như một trái tim đang đập thực sự.

    Để làm tài liệu gốc, các nhà nghiên cứu đã sử dụng ảnh chụp y tế của 15 bệnh nhân được chẩn đoán mắc chứng hẹp động mạch chủ. Nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi hình ảnh của từng bệnh nhân thành mô hình máy tính ba chiều về tâm thất trái của bệnh nhân (buồng bơm máu chính của tim) và động mạch chủ. Họ đã đưa mô hình này vào máy in 3D để tạo ra lớp vỏ mềm, chính xác về mặt giải phẫu của cả tâm thất và mạch máu.

    Nhóm cũng chế tạo tay áo để bọc xung quanh các biểu mẫu đã in. Họ đã điều chỉnh các túi của từng ống tay áo sao cho khi quấn quanh các mẫu tương ứng của chúng và được kết nối với một hệ thống bơm không khí nhỏ, các ống tay áo có thể được điều chỉnh riêng biệt để co lại và co lại các mẫu in một cách thực tế.

    Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng đối với mỗi trái tim mô hình, họ có thể tái tạo chính xác áp lực và lưu lượng tim bơm giống như đã được đo trước đó ở từng bệnh nhân tương ứng.

    Roche nói: “Có thể phù hợp với lưu lượng và áp lực của bệnh nhân là điều rất đáng khích lệ. “Chúng tôi không chỉ in giải phẫu của tim mà còn tái tạo cơ học và sinh lý học của nó. Đó là phần mà chúng tôi rất hào hứng.”

    Tiến thêm một bước nữa, nhóm nghiên cứu nhằm mục đích tái tạo một số can thiệp mà một số ít bệnh nhân đã trải qua, để xem liệu trái tim và mạch máu in ra có phản ứng giống nhau hay không. Một số bệnh nhân đã được cấy ghép van được thiết kế để mở rộng động mạch chủ. Roche và các đồng nghiệp của cô đã cấy các van tương tự vào động mạch chủ được in theo mô hình của từng bệnh nhân. Khi họ kích hoạt trái tim được in ra để bơm, họ quan sát thấy rằng van được cấy ghép tạo ra dòng chảy được cải thiện tương tự như ở những bệnh nhân thực tế sau ca cấy ghép phẫu thuật của họ.

    Cuối cùng, nhóm đã sử dụng một trái tim in được kích hoạt để so sánh các mô cấy có kích cỡ khác nhau, để xem mô cấy nào sẽ phù hợp và chảy tốt nhất — điều mà họ hình dung các bác sĩ lâm sàng có thể thực hiện cho bệnh nhân của họ trong tương lai.

    Đồng tác giả Nguyễn cho biết: “Bệnh nhân sẽ hoàn thành việc chụp ảnh của họ, điều mà họ vẫn làm, và chúng tôi sẽ sử dụng điều đó để tạo ra hệ thống này, lý tưởng nhất là trong ngày. “Sau khi nó được thiết lập và chạy, các bác sĩ lâm sàng có thể kiểm tra các loại và kích cỡ van khác nhau để xem loại nào hoạt động tốt nhất, sau đó sử dụng loại van đó để cấy ghép.”

    Cuối cùng, Roche cho biết các bản sao dành riêng cho bệnh nhân có thể giúp phát triển và xác định các phương pháp điều trị lý tưởng cho những người có hình dạng tim độc đáo và đầy thách thức.

    Roche cho biết: “Thiết kế toàn diện cho nhiều loại giải phẫu và thử nghiệm các biện pháp can thiệp trên phạm vi này có thể làm tăng dân số mục tiêu có thể giải quyết được cho các thủ thuật xâm lấn tối thiểu.

    Tham khảo: “Mô hình thủy động lực học điều trị hẹp van động mạch chủ và tái tạo tâm thất dành riêng cho bệnh nhân bằng robot mềm” của Luca Rosalia, Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie X. Wang, Benjamin Bonner, James C. Weaver, Rishi Puri, Samir Kapadia, Christopher T. Nguyen và Ellen T. Roche, ngày 22 tháng 2 năm 2023, Science Robotics.
    DOI: 10.1126/scirobotics.ade2184

    Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, Viện Y tế Quốc gia và Viện Máu Tim Phổi Quốc gia.

    Zalo
    Hotline