医疗科技评论 | 会呼吸的软体心脏：旨在终结心脏移植的漫长等待

对于全球数百万终末期心力衰竭患者而言，存活的希望渺茫且代价昂贵。心脏移植是最佳疗法，但捐献器官的极度稀缺意味着大多数人永远等不到那通救命的电话。

目前的全人工心脏（TAH）则像一个粗暴的妥协方案：它们笨重、效率低下，且极易引发致命的血栓和感染，迫使患者拖着一根穿透皮肤的管线，其生活质量堪忧。

来自荷兰伊拉斯姆斯大学医学中心、埃因霍温理工大学及AMOLF研究所的一组科学家，他们另辟蹊径，展示了一项可能彻底改变游戏规则的发明——一颗柔软、智能且具备生物相容性的“混合心脏”（Hybrid Heart）（图1） 。这不仅仅是一个更好的机械泵，更是一个有望与人体组织共生的平台。

图1 Hybrid Heart 设计

传统的人工心脏依靠刚性部件以非生理性的方式粗暴地推动血液。而混合心脏的设计哲学则截然不同：模仿自然。

它的核心是一个柔软的气动“隔膜”（septum），被巧妙地置于两个心室之间。精妙之处在于它的驱动方式：数根几乎无弹性的线束以“∞”（无限）符号的形状，同时缠绕着隔膜和两个心室（图2）。当气体脉冲式地泵入隔膜，使其膨胀时，这些线束会被拉紧，从而轻柔而有力地挤压心室，将血液泵出——这完美复刻了人类心脏中隔膜收缩对心室泵血的贡献。

这种设计的颠覆性在于，其“柔软”并非来自材料的拉伸，而是源于结构的弯曲。这不仅让运动方式更接近真实心脏，也从根本上解决了传统软体材料在经历数十亿次拉伸后会疲劳失效的难题。

在实验室的模拟循环回路（图3）中，这颗心脏的表现令人印象深刻。它能轻松达到每分钟5.7升的心输出量，完全满足人体的生理需求。更关键的是，它展现出了类似人类心脏的“弗兰克-斯大林机制”——一种内在的智能调节能力。当模拟的“回心血量”（即前负荷）增加时，它的心室可以容纳更多血液，从而被动地增加下一次搏动的泵出量，无需任何复杂的传感器或电子设备介入。

图3 急性山羊实验中Hybrid Heart体内实验的测试结果

“混合”是这颗心脏的灵魂。研究团队深知，真正的生物相容性，是让身体接纳这个外来之物，而不是排斥它。

为此，他们在心脏与血液接触的内表面涂上了一层特殊的超分子聚合物涂层（PCL-BU）。这层涂层经过了双重功能化设计（图4）：

• 抗凝血：通过结合肝素（heparin），它能主动防止血栓的形成。在大鼠的血管植入实验中，携带这种涂层的移植物几乎全部保持通畅，而未涂层的对照组则出现了大量的血栓闭塞。

• 组织再生：这种涂层被设计为一种“细胞粘合剂”，能够吸引宿主自身的内皮细胞前来定植，最终在心脏内壁形成一层活的、功能性的内皮组织。这有望让患者未来彻底摆脱长期服用抗凝药物的负担。

当前人工心脏最大的痛点之一是经皮驱动管线（driveline）带来的持续感染风险和对生活质量的巨大影响（图5）。混合心脏项目从一开始就着眼于终结这一束缚。

团队展示了一套全植入式驱动系统的雏形，它堪称工程上的杰作。该系统利用一个微型泵产生持续的气流，再通过一个无需电子元件的纯机械“迟滞阀”（hysteretic valve），将稳定气流自主转换为驱动心脏搏动的脉冲气压。而整个系统的能量，则通过“经皮能量传输”（TET）技术无线供给。体外线圈产生的电磁场穿透皮肤，为体内的接收线圈和泵供电，皮肤完好无损。这意味着未来的患者或许可以摘下外部电源，自由地去淋浴甚至游泳——这是当前人工心脏使用者无法想象的奢侈。

通往临床应用的道路依然漫长。在一次为期50分钟的山羊急性植入实验中，混合心脏成功地接管了这只65公斤动物的全部血液循环，证明了其在真实生物体内的可行性。尽管实验因原型材料的接缝处发生泄漏而提前终止，但这属于工程制造方面的瓶颈，而非概念本身的失败。

团队坦言，未来的工作重点包括开发更耐用的医用级材料、优化能量效率，以及在长期的动物实验中验证整个集成系统的可靠性和安全性。

为了更好地理解“混合心脏”的突破性，可将其与当前主流的全人工心脏（TAH）及相关前沿研究进行对比：

• SynCardia TAH[2]: 这是目前全球使用最广泛的TAH之一。它通过气动驱动提供脉冲式血流，主要作为心脏移植前的“过渡桥梁”。然而，它的泵体由刚性聚合物制成，且需要连接到一个体积庞大、被称为“自由驱动器”的外部设备，严重限制了患者的活动能力。

• Carmat Aeson® TAH[3]: 这是一款来自法国的先进TAH，它整合了生物瓣膜（牛心包组织）和传感器，能根据患者的生理需求自动调节血流。与SynCardia相比，它更为智能，且外部设备为可穿戴的电池包，便携性有所提升。但它仍依赖经皮管线供电，并未完全解决感染风险。

• 哈佛大学软体机器人心脏套[4]: 由哈佛大学和波士顿儿童医院的研究人员开发，这不是一个完整的人工心脏，而是一个可定制的软体机器人“套袖”。它包裹在衰竭的心脏外部，通过气动驱动同步辅助心脏收缩，帮助其泵血，而无需直接接触血液，从而避免了血栓风险。这代表了另一种“软体机器人+心脏”的应用思路——“辅助”而非“替代”。

• 苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）硅胶心脏[5]: 2017年，苏黎世联邦理工学院的研究团队利用3D打印技术制造出了一颗完全由硅胶制成的软体人工心脏。这项研究首次证明了软体材料可以模拟出极其逼真的心脏泵血动作。但它的主要局限在于耐用性极差，在连续工作约3000次搏动（约30-45分钟）后便会失效。这凸显了“混合心脏”采用“弯曲而非拉伸”的设计对于延长使用寿命的重要性。

总的来说，这项研究的意义已远超一篇学术论文，它代表了一次跨越多个前沿领域的协同攻关，成功搭建了一个融合软体机器人、智能材料与无线能源的全新平台 。这颗会呼吸、会学习、并渴望与生命融为一体的混合心脏，让我们得以一窥未来——一个不再因器官衰竭而绝望，不再因等待捐献而耗尽生命的未来！

▼参考资料