軟機器人技術的進步導致了用于生物醫學應用的高保真病理生理學模擬器的發展。通過使用具有與生物組織相似的機械性能的材料，軟機器人執行器能夠再現各種器官系統的生物力學功能和復雜的運動動力學，包括心臟、胃腸道、呼吸系統等。這些模擬器可以作為開發和測試醫療療法、治療計劃以及人體生理和疾病研究的系統。然而，他們只能孤立地對器官系統進行建模，無法捕捉到復雜的生理相互作用，例如，由神經激素控制和反饋或補償機制引起的。
主動脈瓣狹窄（AS）是一種通過鈣化和炎癥過程介導的通過主動脈瓣的血流阻塞，通常由先天性主動脈瓣缺陷引起。近幾十年來，全球AS死亡人數從5萬人上升到12萬人。如果不治療，AS可能會導致心力衰竭和猝死。因此，AS高保真模型的發展最終可能為個性化AS管理鋪平道路，從而提高AS干預措施的圍手術期死亡率和患者預后。
以往的AS活體模型大多使用升主動脈周圍的硬條或充氣袖帶來誘導左心室(LV)壓力超負荷。這些裝置只能實現簡單的同心式主動脈收縮，不能重建AS中觀察到的復雜的三維(3D)流動模式，這是由于鈣化或先天性瓣膜缺陷造成的幾何不適應造成的。此外，他們有限的控制阻止了他們再現先天性主動脈瓣缺陷的血流動力學，這通常會加速AS和主動脈重塑的發生和發展，可能導致其他并發癥，包括主動脈瘤、夾層和返流。
成果簡介
鑒于此，麻省理工學院Christopher T. Nguyen、Ellen T. Roche研究人員報道了一種高度可調和動態仿生的軟機器人主動脈套筒的開發，它再現了繼發于AS的壓力超負荷的血流動力學，并能夠對狹窄的主動脈瓣進行生物力學模擬。
套筒設計
高度可調的仿生軟機器人主動脈套筒由三個可膨脹元件或口袋組成，每個元件或口袋連接到一條驅動線。橫跨軟致動器底座的非彈性織物板在壓力下抑制氣囊向一個方向的膨脹，狹縫和條狀機構允許圍繞豬主動脈外壁定位。可膨脹氣囊由兩塊熱塑性聚氨酯（TPU）真空成型板制成，并使用TPU涂層尼龍織物作為約束層。
圖|軟機器人主動脈套筒的概念和設計
準確地再現疾病模型
值得注意的是，在這項工作中，研究人員專注于重建鈣化性主動脈瓣，以及最常見的先天性瓣膜疾病二尖瓣或雙瓣瓣(BAV)和單瓣主動脈瓣(UAV)的血流動力學，這是一種罕見的先天性瓣膜缺陷，通常與BAV相比預后更差。
軟機器人套筒可以在液壓準靜態容積控制條件下或在氣動動態壓力控制下驅動。準靜態和動態驅動都允許研究人員再現LV壓力超負荷的血流動力學。此外，與其他模型相比，可以重新創建患者特定的主動脈血流模式，從而提高準確性。通過在收縮期和舒張期為套筒的每個口袋獨立啟用驅動動力學和壓力水平，該仿生套筒允許重新創建狹窄主動脈瓣的各種運動學，這些運動學可能與人體生理學和疾病的臨床前和轉化研究相關。
圖|準靜態和動態主動脈縮窄的體內血流動力學
利用體內和體外磁共振成像，研究人員還量化了與疾病相關的四維血流速度曲線，以及機器人套筒重建的雙腔和單腔缺損。套筒的設計可以根據計算機斷層掃描數據進行調整，允許設計針對患者的設備，這些設備可能會指導臨床決策，并改善主動脈狹窄患者的管理和治療。
圖|通過改變仿生軟機器人主動脈套的驅動方案和體內MRI血流動力學來調節主動脈收縮曲線
小結
研究人員描述了利用軟機器人技術和MRI的進展，開發高保真、用戶可控的人體疾病模型。這些模型利用了血流動力學模擬，可能有助于開發患者特定的應用程序。該模型還可以促進治療的臨床轉化；特別是，一組AS患者可以在活體豬模型中進行總結，新的治療方法可以在臨床前進行評估。
這項仿生軟機器人技術還可以對更廣泛的人類疾病進行建模，為其他醫療應用鋪平道路，包括血管疾病(例如，頸動脈狹窄、外周動脈疾病和主動脈縮窄)、肺瓣膜狹窄、尿路或胃腸道括約肌功能障礙和呼吸道阻塞的研究。因此，這些模型可以提供對廣泛的病理生理狀況的洞察，并通過指導醫療器械和療法的創新來支持轉化性研究。
參考文獻：
Rosalia, L., Ozturk, C., Coll-Font, J. et al. A soft robotic sleeve mimicking the haemodynamics and biomechanics of left ventricular pressure overload and aortic stenosis. Nat. Biomed. Eng (2022).
https://doi.org/10.1038/s41551-022-00937-8
