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心力衰竭 (Heart Failure) 是一种破坏性疾病，在全世界影响超过 2300 万人。

它可通过心脏移植来治疗，当前的心脏技术需要将心脏直接连接到泵，这意味着必须实行侵入性心脏手术。此外，传统泵使用包括螺旋桨的刚性机械系统来使血液流动，但这会破坏红细胞。所以，科学家在不断探索可替代且可持续的心脏移植疗法。

为此，洛桑联邦理工学院（EPFL）的工程师开发了一种不含刚性金属部件的新型心脏辅助装置，它由包裹在主动脉周围的柔软人造肌肉组成，可以收缩和扩张血管，最终增强主动脉的自然功能并帮助心脏将血液泵送到身体的其他部位。

该成果于今年 1 月，以《介电弹性体增强主动脉的可行性》（“Feasibility of a Dielectric Elastomer Augmented Aorta”）为题在Advanced Science发布。

“随着将新型心脏设备植入到活猪体内的成功，意味着我们实现了世界首创概念的验证。” 该团队集成执行器实验室客座教授伊夫 佩里亚德（ Yves Perriard）解释道。

图丨用于心脏辅助装置的介电弹性体增强主动脉 (DEAA) 的工作原理（来源：Advanced Science）

据悉，介电弹性体主动脉用于增强主动脉在人体循环系统中的生理作用。这种新型心脏辅助装置是管状介电弹性体致动器 (DEA)，通过减轻主动脉在收缩期的变形和增加其在舒张期的反冲力来辅助心脏。

研究人员使用脉动流动回路的体外实验，复制人体生理流量和压力条件。经测试，他们发现，使用该装置可减少 5.5%（每个周期 47mJ）的心脏能量。

图丨相关论文（来源：Advanced Science）

近日，由佩里亚德领导的 EPFL 团队与伯尔尼大学（University of Bern）团队共同合作，成功地将他们的第一个人工管状肌肉植入猪体内。在长达 4 小时的手术中，该心脏辅助装置维持了 2.4 万次心脏搏动，其中 1500 次由增强主动脉人工激活。

微创下一代心脏技术，可保存红细胞

通常，辅助心脏的技术解决方案可分为两大类设备：心室辅助设备 (VAD) 和主动脉反搏设备。一方面，当前的 VAD 基于旋转泵（轴流泵和离心泵），其特点是单个旋转元件产生恒定流量。另一方面，主动脉反搏的基本原理允许增加冠状动脉血流量（在舒张期间）减轻左心室负担（在收缩期间）。

图丨 DEAA 的制造结果，具有 8 层 100 m 厚的管状 DEA（来源：Advanced Science）

EPFL 工程师研发的新型心脏装置不会直接作在心脏工作，而是在主动脉。该概念涉及在主动脉瓣附近的主动脉周围放置介电弹性体致动器，这是一种将电能转化为机械功的聚合物。通过在设备上施加电压，执行器可以人为地收缩和扩张主动脉，就像模仿主动脉自然功能的管状肌肉一样。

“我们的人造主动脉模仿血管收缩和扩张功能，以通过循环系统移动血液的方式。而与其不同之处在于，主动脉的自然动作是因血压而被动，而我们的设备由外部电压控制。在我们人工主动脉的帮助下，心脏在循环相同体积的血液时消耗的能量更少。”EPFL 集成致动器实验室的研究人员解释说。

图丨具有 4 层 200 m 的介电弹性体增强主动脉 (DEAA)- 管状 DEA 的设置和准静态测量（来源：Advanced Science）

他继续说道，“我们的 DEA 不是一个独立的泵。心脏通过提供动脉压力来维持 DEA 的功能，作为回报，DEA 帮助心脏，使其更有效地泵血。”

对此，佩里亚德补充说道：“我们的设备是微创的，因为我们不直接接触心脏。原则上，与传统方法相反，由于缺乏刚性金属成分，它还可以保存红细胞。”

技术仍待更进一步提升，将用于医疗应用

研究人员表示，到目前为止，还没有报道将这些执行器植入人类或动物体内作为血液动力学支持或部分替代肌肉功能的尝试。因此，他们的目标是从心脏衰竭的辅助设备开始，将这项技术用于医疗应用。

佩里亚德和他的团队为新型心脏试验的成功感到高兴，但同时，他们也看到有些技术需要更加完善。例如，放置在主动脉上的当前版本的 DEA 可能没有金属组件，但它仍然包含用于将设备连接到主动脉的刚性塑料组件。

此外，DEA 应放置的理想位置在主动脉周围，但目前尚未实现。该团队工程师指出，他们必须找到一种不涉及切割主动脉来植入设备的解决方案。“也许解决方案是找到一种方法让主动脉粘附在我们的设备上，” 佩里亚德解释道。