Penn State 연구원들이 심장 펌프의 성공적인 테스트를 축하합니다.

Jul 22, 2023

경피적 심장 펌프의 이미지. 신용: 펜 스테이트. 크리에이티브 커먼즈

2013년 8월 2일

펜실베이니아주 대학교 – 펜실베이니아주립대학교 응용연구소(ARL)와 재료과학부 연구팀은 2005년부터 2011년 사이에 개발한 좌심실 보조 장치(LVAD)가 지난 3월 첫 번째 성공적인 인체 테스트로 전환되는 것을 확인했습니다. .

심장 박동에 대한 기계적 순환 지원 요법 분야의 세계적 선두주자인 Thoratec Corp.은 2010년에 Penn State로부터 기술 라이센스를 받았습니다. LVAD는 심장 박동 기능을 부분적으로 대신하도록 설계되었습니다. 프로토타입 장치를 제작하기 위해 Penn State에서 개발된 예비 설계 구성 요소, 테스트 시설 및 제조 기술은 3년도 채 안 되어 Thoratec에 의해 LVAD가 인간에게 테스트될 수 있는 수준으로 발전되었습니다.

ARL 연구원이자 이 프로젝트의 주요 조사관인 Rob Kunz는 "우리 Penn State 팀의 흥미로운 점은 우리 연구가 이제 생명을 구하는 방향으로 잘 진행되고 있다는 것입니다."라고 말했습니다. "현재 HeartMate PHP(경피 심장 펌프)로 명명된 설계 목표는 어려웠습니다. 환자의 허벅지 절개를 통해 삽입하고 하강을 통해 뱀처럼 뱀처럼 올라갈 수 있을 만큼 작은 길고 얇은 카테터 끝에 혈액 펌프를 개발하는 것입니다. PHP는 심장이나 혈액에 손상을 주지 않고 며칠 동안 성인 남성을 지탱할 수 있는 충분한 혈액 펌핑 능력(60mmHg 압력 수두에서 분당 약 4.5리터)을 제공해야 합니다. 그 자체."

시중에서 판매되는 많은 장기 LVAD의 경우 장치 삽입을 위해 흉벽을 외과적으로 열어야 하는데, 이는 복잡하고 외상적인 절차입니다. 단기 PHP 장치의 설계 목표는 빠르게 삽입되는 최소 침습 급성 지원 기술에 대한 열망에서 비롯되었습니다. PHP는 심장 마비 또는 기타 급성 심장 질환을 앓고 있는 환자가 몇 분 이내에 삽입, 배포 및 작동되도록 설계되어 잠재적으로 매년 미국에서 수만 명의 생명을 연장할 수 있습니다.

이러한 요구 사항에 따라 업계는 모든 혈액 펌프 응용 분야에서 중요한 기술인 유체 역학(설계, 테스트 및 모델링) 및 재료 과학 분야의 대학의 강력한 역량으로 인해 Penn State에 왔습니다. Kunz는 "우리는 본질적으로 요구 사항과 빈 종이를 받았습니다. 기본 개념을 개발하는 데 오래 걸리지 않았습니다. 접을 수 있는 캐뉼라 내에 수용된 매우 작고 매우 빠르게 회전하는 접을 수 있는 임펠러입니다."라고 말했습니다.

이 작지만 효율적인 터보머신에 대한 개념을 개발하려면 Penn State 팀이 여러 가지 과제를 극복해야 했습니다. 중요한 것은 유체의 성질과 관련이 있습니다. LVAD는 약 19,000RPM으로 회전하면서 혈액을 펌핑하는 임펠러를 통해 작동합니다. 그러나 혈액을 믹서기에 넣을 수는 없습니다. 아주 작은 피라 할지라도 산소를 운반할 수 있는 물리적, 생물학적 특성을 유지할 것이라고 기대할 수는 없습니다. 대신 임펠러 블레이드는 적혈구 손상을 최소화하도록 설계되어야 했습니다.

또 다른 주요 과제는 LVAD 블레이드를 만드는 재료가 4mm 카테터 내에서 압축될 수 있을 만큼 유연해야 한다는 것이었습니다. 동일한 탄력성은 블레이드가 회전할 때 유체 하중에 따라 휘어진다는 것을 의미합니다. 따라서 블레이드는 편향을 상쇄하는 동시에 원하는 유체역학적 성능을 유지하도록 설계되어야 했습니다. 셋째, 임펠러가 회전하고 펌프를 통해 혈류를 안내하는 캐뉼라도 접을 수 있어야 했습니다. 즉, 본질적으로 펌핑을 지원할 수 있을 만큼 완전성을 갖춘 덮힌 스텐트이면서도 4mm 카테터로 완전히 접힐 수 있을 만큼 유연해야 했습니다. .

Kunz는 "이것은 재료 과학, 실험 유체 역학, 전산 유체 역학, 엔지니어링 설계, 베어링 기술, 신속한 프로토타이핑 및 제어 분야의 전문가는 물론 기계 기술자 및 통합 테스트 기술자가 참여한 진정한 다분야 설계 및 개발 노력이었습니다. 우리는 또한 순환계 생리학, 혈액 세포 역학/생화학, 동물 실험 및 신체에 사용하기 위해 '정제'된 물질을 포함하여 우리의 핵심 역량을 훨씬 넘어서는 여러 기술에 참여할 수 있는 흥미로운 기회를 가졌습니다. 전달'에 중점을 두고 이 프로젝트는 유체 구조 상호 작용 모델링 주제에 대한 기계 공학의 Penn State 박사 학위 논문을 지원했습니다."