Kunstmatig Hart: Technologie, Geschiedenis en Toekomstperspectieven

Achtergrond

Een gezond hart functioneert als een dubbelpomp orgaan, met twee boezems en twee ventrikels. De rechter boezem ontvangt gezuurstofarm bloed van het lichaam en kontrakeert in de rechter ventrikel, wat het vervolgens naar de longen stuurt. De linker boezem ontvangt gezuurstofrijk bloed van de longen en duwt het in de linker ventrikel, de kamer die bloed naar de rest van het lichaam distribueert. Elke hartcyclus begint met boezemcontractie, gevolgd door ventrikelcontractie, wat efficiënte bloedcirculatie waarborgt.

Congestieve hartfalen (CHF) is de progressieve verlies van het pompvermogen van het hart en blijft een leidende doodsoorzaak wereldwijd. De American Heart Association rapporteert dat ongeveer vijf miljoen Amerikanen met CHF leven, en jaarlijks meer dan 400.000 nieuwe gevallen gediagnosticeerd worden. Ongeveer de helft van deze patiënten overlijdt binnen vijf jaar na diagnose. In 1998 gaf het Amerikaanse gezondheidssysteem ruwweg $95 miljard uit aan de behandeling van hartziektes.

Hoewel farmacotherapie en chirurgische interventies symptomen kunnen verlichten, blijft een harttransplantatie de definitieve genezing voor eindstadium hartfalen. In 1998 stonden ongeveer 7.700 patiënten op de wachtlijst voor transplantatie, maar slechts 30% ontving een orgaan. Deze tekortkoming stimuleerde de ontwikkeling van kunstmatige harten en ventrikelassistenties (VADs) als brug-naar-transplantatie of bestemmings therapieopties.

Een ideaal kunstmatig hart moet continue, betrouwbare bloedcirculatie en zuurstofvoorziening leveren voor uitgebreide periodes—typisch tenminste 100.000 slagen per 24 uur—zonder smering of routinematig onderhoud, terwijl het zijn pompsnelheid aanpast aan het activiteitsniveau van de patiënt en infectie- of tromboserisico's minimaliseert.

De twee hoofdcategorieën van circulatie-ondersteunende apparaten zijn de hart-longmachine en het mechanische hart. De hart-longmachine, bestaande uit een zuurstofator en een pomp, wordt tijdens open-hartprocedures gebruikt en is beperkt tot enkele uren gebruik door bloedhemolyse over tijd. Mechanische harten, aan de andere kant, verminderen de werkbelasting van een faalend eigen hart en kunnen functioneren als tijdelijke of permanente ondersteuning. LVAD's, bijvoorbeeld, assisteren de linker ventrikel door een deel van de normale hartuitvoer te leveren. Momenteel worden wereldwijd ongeveer 4.000 LVAD's geïmplanteerd, en de Amerikaanse markt voor deze apparaten wordt geschat op $12 miljard per jaar.

Geschiedenis

Sinds de late 19e eeuw hebben wetenschappers mechanische oplossingen gezocht om cardiale functie te vervangen of te supplementeren. Het duurde bijna een eeuw voordat de eerste menselijke hart-longmachine, ontwikkeld door John H. Gibbon Jr., in 1953 succesvol werd gebruikt. Vier jaar later werd een plastic kunstmatig hart in een hondenmodel geïmplanteerd.

Het National Heart Institute (nu het National Heart, Lung, and Blood Institute) formaliseerde een kunstmatig hartprogramma in 1964, wat uitmondde in de eerste totale kunstmatige hartimplantatie in een mens in 1969.

In de jaren 70 verschuifde de focus naar linker ventrikel assistentie apparaten (LVADs) en het gebruik van biocompatibele materialen. De eerste succesvolle LVAD-implantatie vond plaats in 1970, en de volgende decennia zagen de introductie van polyurethane en plastic pompen met verlengde levensduur. Regulatorische verscherping door de FDA in de jaren 80 verhoogde ontwikkelingskosten, wat leidde tot consolidatie in het vakgebied.

Dr. Robert Jarvik, een pioneer in het vakgebied, introduceerde het Jarvik-7 kunstmatige hart in 1983. Dit aluminium-plastic apparaat, aangedreven door een grote externe compressor, werd in 1985 in Barney Clark geïmplanteerd. Clark overleefde 112 dagen, en opvolgende ontvangers leefden tot 20 maanden, wat de haalbaarheid van implanteerbare ondersteuning aantoonde.

De wens voor volledig implanteerbare, batterij-aangedreven apparaten leidde tot NIH-financiering in 1988 en de ontwikkeling van een elektrische LVAD in 1991. In 1999 werd Charlie Chappis de eerste patiënt die thuiskwam met een geïmplanteerde LVAD, wat een mijlpaal markeerde voor langetermijntherapie.

Grondstoffen

Kunstmatige harten en LVAD's worden geconstrueerd uit een combinatie van metalen, polymeren, keramische, en biologische componenten. Het primaire metallische legering dat gebruikt wordt is titanium-aluminium-vanadium, gekozen voor zijn biocompatibiliteit en mechanische sterkte. Titaniumonderdelen worden precisie-gefreesd en ontvangen een microsfeercoating die endothelialisatie bevordert, wat een natuurlijke bloedcompatibele bekleding creëert.

De pompmembraan is vervaardigd van een getextureerde polyurethane die bloedceladhesie bevordert, wat hemolyse vermindert. Polyester transplantaat bevestigt het apparaat aan de aorta, terwijl varkenshartkleppen dienen als biologische vervanging voor eigen kleppen. Motorcomponenten zijn typisch gemaakt van titanium of hoogsterkte keramische.

Ontwerp

Het ontwerpen van een LVAD vereist minucieuze aandacht voor vloeistofdynamica om adequate stroom zonder trombose te garanderen, selectie van werkelijk biocompatibele materialen, en optimalisatie van motorefficiëntie om warmteopwekking te beperken. Apparaatafmessen worden minimaal gehouden om het risico op immuunafstoting te verminderen; een typische LVAD weegt ongeveer 1,2 kg (2,4 lb) en beslaat 660 ml (1,4 pints).

Robert Jarvik

Geboren 11 mei 1946, in Midland, Michigan, beoefende Jarvik architectuur en mechanisch tekenen aan Syracuse University voordat hij overstapte op pre-medicine na de hartziekte van zijn vader. Hij behaalde een B.A. in dierkunde in 1968, later een M.A. in occupationele biomechanica aan New York University in 1971. Na het behalen van zijn M.D. in 1976, trad Jarvik toe tot het Institute for Biomedical Engineering van de Universiteit van Utah, waar hij samenwerkte met Willem Kolff aan kunstmatig hartonderzoek.

Het Productieproces

• Componenten worden op maat geproduceerd door gespecialiseerde derde-partij leveranciers, waaronder precisie machinewerkplaatsen en printplaatproducenten. Varkenskleppen worden in polyester transplantaat genaaid bij faciliteiten toegewijd aan hartklepfabricage.

  Na componentverwerving ondergaat de LVAD-montage strenge testing om naleving van alle specificaties te verifiëren. Eenmaal goedgekeurd, wordt het apparaat gesteriliseerd en verpakt voor distributie.

Vorming van de Polyurethane Onderdelen

• Sommige fabrikanten produceren polyurethane membranen in-house met een eigen vloeibare oplossing die op een keramische mandrel in opeenvolgende lagen wordt aangebracht. Elke laag wordt uitgehard en gedroogd tot de doeldikte bereikt is. Het afgeronde onderdeel wordt dan van de mandrel verwijderd en geïnspecteerd. Alternatief kunnen derde-partij producenten injectie- of vacuümmoulden gecombineerd met RF-lassen gebruiken.

Montage

• Montage wordt uitgevoerd in een steriele cleanroom om contaminatie te voorkomen. Tot 50 precisiecomponenten worden gelijmd met hoge-temperatuur-uitgehard lijm. Parallelle sub-montages—waaronder motorbehuizing, percutane buis, en membrana duwplaten—worden voltooid, geïnspecteerd, en tenslotte geïntegreerd in het complete systeem. Transplantaten worden apart bevestigd tijdens de finale montagestap.

Testen

• Na montage ondergaat elk apparaat mechanische testing die fysiologische drukken simuleert. Alle elektronische circuits worden geëvalueerd met diagnostische apparatuur om correcte werking te bevestigen.

Sterilisatie & Verpakking

• Na succesvolle testing wordt het apparaat overgedragen aan een externe sterilisatiedienst. Elke unit wordt geseald in een steriele plastic bak en vervolgens in een aangepaste beschermende koffer voor verzending geplaatst, wat het beschermt tegen contaminatie en schade.

Kwaliteitscontrole

De meeste componenten ondergaan pre-inspectie voordat ze naar de fabrikant worden verzonden, maar dimensionale controles met toleranties in de miljoensten van een inch worden op kritieke onderdelen uitgevoerd. Om FDA-voorschriften te voldoen, is elk component—waaronder lijmmiddelen—traceerbaar via lot- en serienummers, wat volledige traceerbaarheid mogelijk maakt.

Bijproducten / Afval

Schroot titanium wordt herwonnen, opnieuw gesmolten, en opnieuw gegoten, wat metaalafval minimaliseert. Omdat de meeste onderdelen pre-inspectie doorstaan, wordt slechts een kleine hoeveelheid defecte componenten weggegooid. Na-implantatie apparaten worden aan de fabrikant teruggestuurd voor analyse, wat data levert die iteratieve ontwerpverbeteringen drijven.

De Toekomst

Over het komende decennium staat een golf van innovaties voor de deur die mechanische circulatie-ondersteuning zal transformeren. Onderzoekers aan Pennsylvania State University ontwikkelen een electromechanisch hart dat energie transcutaan ontvangt via radiofrequentie-energie, wat patiënten in staat stelt een batterij overdag te dragen en 's nachts op te laden. Het prototype is gepland voor menselijke proeven in 2001.

Andere groepen verkennen continu-stroompompen, die de noodzaak voor een mechanische pompslag elimineren en apparaatgrootte en energieverbruik verminderen. In Australië bevordert Micromedical Industries Limited een continu-stroom rotatiepomp verwacht voor menselijke implantatie in 2001. Ohio State University werkt aan een zelfregulerende plastic pomp de grootte van een hockeyschijf, ontworpen voor korte-termijnondersteuning tot de eigen cardiale functie herstelt.

Thermo Cardiosystems, Inc. ontwikkelt een lager-loze LVAD met een magnetisch opgehangen rotor, wat belooft vrijwel onbeperkte duurzaamheid. Zowel continu-stroom centrifugaal als rotatievarianten worden ontworpen voor transcutane energieoverdracht, wat ze volledig implanteerbaar maakt.

Met donorenharttekorten winnen permanente kunstmatige hartvervangingen aan tractie. LVAD's worden verfijnd door uitvinders zoals Robert Jarvik en chirurgen zoals Michael DeBakey. Totale kunstmatige harten zijn een gezamenlijke inspanning tussen het Texas Heart Institute en Abiomed, Inc. In Japan ontwikkelen onderzoeksploegen silicone-bal-klep totale harten aangedreven door een keramische-lager centrifugaalpomp.

Alternatieve therapieën, zoals vorm-wijzigende klemmen die de efficiëntie van het eigen hart met tot 30% kunnen verbeteren, worden ook onderzocht, wat minimaal invasieve opties biedt voor patiënten met structurele hartziektes.