软机器人混合人工心脏：突破终末期心衰治疗的新型生物相容性解决方案

为解决终末期心衰患者缺乏有效治疗手段的问题，荷兰阿姆斯特丹大学医学中心等机构的研究团队开发了一种基于软机器人技术的混合人工心脏（Hybrid Heart）。该设备通过气动驱动的"室间隔"结构和超分子聚合物涂层，实现了5.7 L/min的心输出量，并在山羊急性实验中验证了其生理适应性。这项发表在《Nature Communications》的研究为改善人工心脏的生物相容性和患者生活质量提供了新思路。

　　

心脏是人体的"发动机"，但终末期心衰患者却面临着"发动机报废"的困境。虽然心脏移植是最佳治疗方案，但供体心脏严重短缺。目前临床使用的人工心脏（TAH）和左心室辅助装置（LVAD）存在生物相容性差、血栓风险高、需要抗凝治疗等问题，严重影响患者生活质量。更糟糕的是，现有设备需要通过经皮驱动线连接外部电源，感染风险极高。面对这些挑战，来自荷兰阿姆斯特丹大学医学中心等机构的研究团队开发了一种革命性的解决方案——软机器人混合人工心脏（Hybrid Heart），相关成果发表在《Nature Communications》上。

这项研究采用了多学科交叉的创新方法：1）基于热塑性聚氨酯（TPU）材料构建双心室结构，通过气动驱动的"室间隔"实现生理性泵血；2）采用超分子聚合物（PCL-BU）涂层结合肝素肽（BU-HBP）实现抗血栓功能；3）通过体外模拟循环系统和大鼠/山羊动物模型验证性能。

Rational and design of the hybrid heart
研究团队从解剖学角度出发，模拟人类心脏的双心室结构和室间隔收缩机制（贡献40%左心室输出量）。设计的Hybrid Heart包含两个140ml容量的"心室"，中间设置最大容积160ml的气动"室间隔"，通过∞形排列的不可延伸导线实现力量传递。当室间隔充气膨胀时，导线会挤压心室实现射血，这一机制模拟了自然心脏的Frank-Starling定律（心脏根据回心血量自动调节输出量的生理机制）。

In vitro quasi-static experiments
体外实验显示设备存在机械滞后现象，这源于材料特性而非导线摩擦。这种特性意外地模拟了自然心脏的等容收缩期（心室压力上升但容积不变的阶段），使Hybrid Heart能够实现类似自然心脏的快速收缩。

Dynamic test bench performance
在模拟循环系统中，Hybrid Heart左心室输出量达5.71±0.04 L/min（60次/分钟），右心室为5.02±0.08 L/min。通过调整导线长度可平衡左右心室输出量。特别值得注意的是，设备展现出0.176±0.213 L/min/mmHg的前负荷敏感性（心脏对回心血量变化的调节能力），虽略低于自然心脏的0.213-0.241 L/min/mmHg，但已显著优于传统人工心脏。

Acute animal experiment
在65kg山羊的急性实验中，Hybrid Heart成功维持2.275±0.035 L/min的心输出量达50分钟，平均主动脉压49mmHg。实验因TPU与尼龙热合线分层导致的漏气而终止，但验证了该设计在大型哺乳动物体内的可行性。

Biocompatible coating
通过将肝素结合肽（BU-HBP）整合到聚己内酯双脲（PCL-BU）超分子涂层中，实现了材料的抗血栓功能。大鼠腹主动脉植入实验显示，肝素功能化涂层的血管移植物通畅率显著提高（p<0.05），血小板粘附减少。

Control system
团队开发了基于滞后阀的软机器人驱动系统，结合经皮能量传输（TET）技术，为实现完全植入式系统奠定了基础。初步测试显示，该系统可在35次/分钟心率下产生31ml（左室）和59ml（右室）的每搏输出量。

这项研究的突破性意义在于：首次将软机器人技术与组织工程相结合，创造出具有生理性泵血功能的人工心脏。Hybrid Heart的创新设计使其能够模拟自然心脏的关键特性，包括前负荷敏感性和室间隔主导的收缩模式。超分子涂层的应用为解决人工心脏血栓形成这一长期难题提供了新思路。虽然目前仍需优化材料耐久性和能量效率，但这项研究为终末期心衰患者带来了新的希望，有望显著改善患者生活质量和预后。

未来研究将聚焦于：1）开发更耐用的液压驱动系统替代气动系统；2）优化能量传输效率；3）在慢性动物模型中验证长期性能；4）探索促进内皮化的生长因子功能化涂层。这项跨学科研究为人工器官领域树立了新标杆，标志着我们向着"终极治疗方案"——可长期使用的生物相容性人工心脏迈出了关键一步。