Как создать искусственное сердце

Даниэль Тиммс начал работать над своим искусственным сердцем в 2001 году, когда ему было двадцать два года. Будучи аспирантом в области биомедицинской инженерии, он жил со своими родителями в Брисбене, Австралия. Он искал тему диссертации, когда его отец, Гэри, которому было пятьдесят, перенес тяжелый сердечный приступ. Сначала проблема казалась неисправным клапаном; вскоре они узнали, что все сердце Гэри терпит неудачу. Сердечная недостаточность — это прогрессирующее заболевание: человек может жить годами, пока его сердце медленно выходит из строя. Было узкое окно времени. Представился курс обучения.

Гэри был водопроводчиком, а мать Тиммса, Карен, была ассистентом по науке в средней школе. Их семья занималась экспериментами; В детстве Тиммс и его отец проводили бесчисленное количество дней на заднем дворе, строя сложную систему фонтанов, прудов и водопадов. Было вполне естественно, что он и его отец вместе работали над сердцем. Они купили трубы, трубы и клапаны в строительном магазине и в своем гараже построили грубую аппроксимацию кровеносной системы. Тиммс начал читать об истории искусственного сердца. Первая имплантация человеку была сделана в 1969 году хирургом по имени Дентон Кули из Техасского института сердца в Хьюстоне. Пациент, Хаскелл Карп, находился на лечении в течение шестидесяти четырех часов — большой успех, учитывая, что его сердце было вырезано из груди. Инженеры были уверены, что через несколько лет проблема будет решена.

Однако после этого история стала неопределенной и даже спорной. Трудно было сконструировать небольшое имплантируемое устройство, которое могло бы работать тридцать пять миллионов раз в год, перекачивая две тысячи галлонов крови каждый день в течение многих лет. В последующие десятилетия пациенты прожили дни, месяцы и даже годы на различных видах искусственных сердец, но качество их жизни часто было низким. Они были соединены трубками с большими машинами; они часто страдали от инсультов и инфекций; их новые сердца были слишком большими или имели части, которые изнашивались. Ежегодно сердечные заболевания убивают миллионы людей во всем мире. Было доступно всего несколько тысяч трансплантируемых сердец. И все же, как выяснил Тиммс, существующие искусственные сердца можно использовать только временно, чтобы «связать» пациентов с трансплантатами, которые могут никогда не произойти. Постоянного искусственного сердца не существовало.

Просматривая проекты, Тиммс увидел, что многие из них обрели форму в шестидесятых, семидесятых и восьмидесятых годах. Он считал, что их существенное улучшение должно быть простым. В прошлом большинство искусственных сердец делали из гибкого пластика; он создал бы такой из прочного титана. Их насосы часто приводились в действие пневматически, воздухом, проталкиваемым в тело через трубки; он бы использовал электромагнитный двигатель. Наиболее важно то, что там, где традиционные искусственные сердца были «пульсирующими» — они ритмично выдавливали кровь из искусственных желудочков, — он перемещал кровь непрерывным потоком: вместо того, чтобы биться, она шипела. В лабораторной тетради он зарисовал возможное сердце. Кровь текла в маленькую камеру с вращающимся металлическим диском в центре; диск, как пропеллер, выталкивает кровь наружу в легкие и остальную часть тела. Это был умный и экономный дизайн, который вместо того, чтобы пытаться подражать биологическому сердцу, полностью переосмыслил его. Под эскизом он написал: «Да ну да!»

В своем гараже он и его отец построили прототип. Сделанный из прозрачного пластика, он успешно перемещал воду через имитацию кровеносной системы, в которой крошечные шарики служили кровяными тельцами. Но возникла проблема — место под вращающимся диском, где токи остановились, и шарики застряли. Этот водоворот был опасен; кровяные клетки, которые скапливаются вместе, имеют тенденцию коагулировать, создавая сгустки, которые могут вызвать инсульты. По Skype Тиммс поговорил с исследователем из Японии, который работал над системами магнитной левитации, используемыми в высокоскоростных поездах. Они решили, что можно использовать более сильные магниты, чтобы подвесить диск подальше от стенок сердца, чтобы кровь могла легче течь вокруг него. Такой подход «маглев» также устранит износ: ни одна из частей не будет соприкасаться.

Тиммс был еще аспирантом, когда договорился о встрече с некоторыми кардиологами в больнице Брисбена, где лечился его отец. Он вытащил пластиковый насос из своего рюкзака и объяснил, как будет работать сердце, основанное на его дизайне. Один врач недоверчиво покинул собрание. Другой обеспечил Тиммсу небольшое пособие и комнату в подвале. К 2004 году, когда Гэри восстанавливался после операции по замене клапана наверху, Тиммс работал над прототипами внизу. Вскоре он использовал одну, чтобы на пару часов сохранить жизнь овце. Как и инженеры-искусственники прошлого, он ожидал, что дальнейший прогресс будет быстрым.

Сегодня, более чем через полтора десятилетия, компания Тиммса, Bivacor, имеет инженерный офис в Серритосе, пригороде Лос-Анджелеса. Около дюжины инженеров рк в здании, окруженном пальмами и цветущей живой изгородью. В прошлом году, перед пандемией, Уилсон Се, двадцатитрехлетний инженер-биомеханик, стоял над лабораторным столом, используя стяжки, чтобы прикрепить новейшую версию сердца Bivacor к имитационной системе кровообращения. Система, известная как «петля», была значительно улучшена по сравнению с той, которую построили Тиммс и его отец; Сделанный из пластиковых труб и высотой около четырех футов, он напоминал модель американских горок. Наполненный сахарной водой, смешанной с вязкостью человеческой крови, он использовал клапаны для моделирования различных условий кровообращения: высокого давления, низкого давления, стоя, бега. Сердце, прикрепленное к нему, было прочным в стиле стимпанк, сделанным из черного и золотого титана. Четыре отверстия были предназначены для того, чтобы вести к аорте, полой вене, легочной артерии и легочной вене; кабель соединял его с черным блоком управления размером со словарь. Кабель будет проходить через кожу живота; пользователям необходимо всегда носить коробку с собой.

Когда Се регулировал клапаны контура, воздух с шипением выкачивался. Николас Грейтрекс, австралийский инженер-электрик, ввел команду на компьютере, и ток начал течь к электромагнитам сердца. Вода начала течь по петле, двигаясь с низким вибрирующим гудением.

Бивакор и человеческие сердца работают по совершенно разным принципам. Человеческое сердце имеет две разные стороны. Кровь сначала течет от меньшей правой стороны к легким и обратно, так что ее кислород может пополняться; Затем он переходит на более крупную, более сильную левую сторону, которая с силой закачивает его в тело. Сердце Бивакора — это одна комбинированная камера. Он отправляет кровь в двух направлениях с помощью вращающегося диска или «ротора», который имеет две стороны разной формы, каждая из которых имеет форму для создания соответствующего уровня кровяного давления. Там, где сердце здорового взрослого человека бьется где-то от шестидесяти до ста раз в минуту, Bivacor вращается со скоростью от шестнадцати до двадцати четырехсот оборотов в минуту.

Измерьте пульс человека, использующего такое сердце, и вы почувствуете только постоянное давление, как в садовом шланге. Но некоторым кардиохирургам и кардиологам не нравится идея сердца без пульса. Постучав по клавиатуре компьютера, Грейтрекс приказал ротору колебаться. «Ускоряя и замедляя ротор, мы можем создать искусственный импульс», — сказал он. Я протянул руку и коснулся одного из белых резиновых шлангов петли. Как ни странно, было тепло; под моими пальцами он начал пульсировать в знакомом человеческом ритме.