Rezultaty części badawczej w pierwszej połowie 2009 roku



Roman Kustosz
Adam Jarosz
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii


W pierwszym półroczu 2009r kontynuowano prace, rozpoczęte w 2008 roku w ramach zadań badawczych Programu Wieloletniego "Polskie Sztuczne Serce", realizując zasadniczy cel strategiczny Programu, jakim jest zbudowanie i wdrożenie do stosowania klinicznego rodziny polskich protez serca. Dla zapewnienia szerokiego wsparcia klinicznego leczenia krytycznej i przewlekłej niewydolności serca za pomocą technologii mechanicznego wspomagania, w ramach Programu prowadzone są prace badawcze, dotyczące opracowania konstrukcji szeregu rodzajów protez serca. Każda z tych protez dedykowana będzie konkretnym aplikacjom klinicznym, w zależności od charakteru schorzenia, przewidywanego czasu wspomagania serca i przyjętej strategii leczenia pacjenta. I tak, pozaustrojowa, pneumatyczna proteza serca, stosowana będzie do krótkoterminowego wspomagania w przypadkach ostrej niewydolności, znamiennej dobrym rokowaniem w kierunku regeneracji mięśnia sercowego. W przypadkach przedłużającej się lub krytycznej niewydolności serca, uzasadnione jest zastosowanie jego wspomagania przez dłuższy czas, za pomocą częściowo wszczepialnej protezy, w celu doprowadzenia do regeneracji lub transplantacji serca naturalnego. Całkowicie wszczepialna, permanentna proteza serca stanowić będzie szansę na uratowanie pacjentów z narastającą, krytyczną niewydolnością serca, którzy nie kwalifikują się do przeszczepu serca naturalnego. Grupą protez, decydujących o światowych trendach w dziedzinie leczenia niewydolności serca za pomocą mechanicznego wspomagania, są wirowe pompy krwi. Pompy takie stosowane są do długoterminowego wspomagania serca w leczeniu ukierunkowanym zarówno na regenerację serca, jak i jego transplantację. Program "Polskie Sztuczne Serce" podejmuje tą tematykę w zadaniu polegającym na opracowaniu wszczepialnej, osiowej i odśrodkowej protezy serca.

Przedsięwzięciem kluczowym dla realizacji strategicznych celów Programu jest przedsięwzięcie P03, składające się z sześciu zadań badawczych, polegających na opracowaniu konstrukcji poszczególnych protez serca. Dotyczą one pneumatycznej, pozaustrojowej protezy serca z kliniczną wersją sterownika, pneumatycznej, częściowo wszczepialnej protezy serca, wyposażonej w sterownik przenośny, umożliwiający leczenie pacjenta w warunkach domowych, całkowicie wszczepialnej protezy lewej komory serca, oraz wszczepialnej, miniaturowej, wirowej pompy krwi.

Wykresy konturowe prędkości w komorze POLVAD-EXT z trzema różnymi rozmiarami zastawek napływowych.

W zakresie pozaustrojowego systemu wspomagania serca, opracowano numeryczną konstrukcję pneumatycznej komory wspomagania POLVAD-EXT. Przeprowadzono analizę trzech wariantów budowy protezy, w wyniku której powstała dokumentacja, stanowiąca o gotowości do wytworzenia prototypu protezy z przeznaczeniem do laboratoryjnych badań eksploatacyjnych. Integralnymi elementami pulsacyjnych (w tym sterowanych pneumatycznie) protez serca są zastawki. W ramach Programu podjęto badania nad opracowaniem konstrukcji polskiej zastawki dyskowej, w oparciu o rezultaty prac Profesora Jacka Molla z Kliniki Kardiochirurgii Instytutu Centrum Zdrowia Matki Polki w Łodzi. Wykonano szczegółowe badania modeli numerycznych zespołu zastawki i korpusu konektora, w rezultacie których powstała konstrukcja zastawki wraz z dokumentacją wykonawczą prototypu.

Prototyp kliniczny zmodernizowanego, przewoźnego sterownika pneumatycznych protez serca POLPDU-402

Urządzeniem przeznaczonym do sterowania pracą protezy pozaustrojowej w warunkach klinicznych, jest jednostka napędowa POLPDU-402, będąca przedmiotem realizacji drugiego zadania przedsięwzięcia P03. W oparciu o wieloletnie doświadczenie kliniczne jednostki POLPDU-401 oraz laboratoryjne badania modelowe nowej generacji urządzenia, opracowano prototyp zmodernizowanego, przewoźnego sterownika POLPDU-402. Wytworzono jeden egzemplarz tego prototypu z przeznaczeniem do eksploatacyjnych badań laboratoryjnych, zaś dwa kolejne egzemplarze są w trakcie montażu i uruchamiania dla potrzeb realizacji prac badawczych w części wdrożeniowej Programu, w ramach przedsięwzięcia P04. Planowane przekazanie prototypów do badań klinicznych nastąpi w listopadzie 2009r.

W ramach badań nad opracowaniem konstrukcji częściowo wszczepialnej protezy serca, wykonano trzy numeryczne wersje modelu urządzenia, które poddano analizie anatomicznego rozlokowania w ciele pacjenta. Planuje się

Lokalizacja komory POLVAD-IMPL w symulacji numerycznej.

umieszczenie protezy w klatce piersiowej, w bezpośrednim sąsiedztwie serca. Określono wejściowe założenia konstrukcyjne, które po zweryfikowaniu w konsultacjach szczegółowych ze specjalistami z dziedziny kardiochirurgii, będą stanowiły podstawę dla opracowania finalnej konstrukcji prototypu urządzenia.

Jednocześnie prowadzone są prace nad konstrukcją dedykowanego dla częściowo wszczepialnej, pneumatycznej protezy serca,

Model fizyczny sprężarki spiralnej.

przenośnego urządzenia sterującego, umożliwiającego leczenie pacjenta w warunkach poza szpitalnych. Realizowane w tym zakresie prace dotyczyły oceny możliwości zastosowania układu z szybkim elektrozaworem lub zespołu tłokowego z silnikiem liniowym w konstrukcji układu napędowego. W rezultacie pierwszych eksperymentów laboratoryjnych, określono wymagania funkcjonalne dla układu sprężarki oraz zespołu tłokowego. Opcjonalnie, rozpoczęto badania nad opracowaniem konstrukcji sprężarki spiralnej, jako głównego podzespołu pneumatycznego układu napędowego. Zbudowano model fizyczny bezolejowej sprężarki spiralnej, dla którego przeprowadzono pierwsze próby uruchomieniowe i określono wytyczne dla modyfikacji konstrukcji urządzenia.

Przykładowe wyniki obliczeń numerycznych pompy osiowej oraz model fizyczny uwzględniający cztery wersje konstrukcyjne odśrodkowej pompy krwi.

Obszarem szczególnego zainteresowania Programu "Polskie Sztuczne Serce", są wszczepialne protezy wspomagania serca o przepływie ciągłym, znajdujące szerokie pole zastosowań w przypadkach leczenia niewydolności serca w kierunku jego regeneracji bądź kwalifikacji do przeszczepu serca biologicznego. Zadania przedsięwzięcia P03 w tym zakresie zaplanowane są dwutorowo, i przewidują opracowanie konstrukcji osiowej pompy krwi o przepływie centralnym oraz pompy odśrodkowej, w wersjach z wirnikami lewitującymi w polu magnetycznym. Zbudowano model numeryczny prototypu osiowej pompy wspomagania serca, opracowany na podstawie studiów modelowania trzech różnych wersji konstrukcyjnych urządzenia. Ponadto opracowano dwa modele numeryczne wirowej, odśrodkowej pompy wspomagania serca, opracowane na podstawie studiów różnych wersji konstrukcyjnych. Dla potrzeb wstępnej oceny trombogenności konstrukcji wirowej pompy krwi na etapie modelu numerycznego, opracowano i zwalidowano laboratoryjnie oryginalną metodę analizy konstrukcji pompy, opartej na modelowaniu obszarów dyssypacji energii. W przypadku obydwóch wersji konstrukcyjnych urządzenie, kolejne działania polegać będą na opracowaniu konstrukcji technicznej prototypu.

Stanowisko badań hydrodynamicznych wraz z hybrydowym modelem układu krążenia.

W ramach rozbudowy zaplecza badawczego Pracowni Sztucznego Serca FRK dla potrzeb realizacji zadań badawczych Programu, zbudowano i uruchomiono unikatowe stanowisko do badań hydrodynamicznych protez serca z hybrydowym, fizyczno-numerycznym modelem układu krążenia. Stanowisko jest obecnie wykorzystywane w badaniach laboratoryjnych konstruowanych w ramach Programu protez serca.

Szczególnie ważnym zagadnieniem podczas opracowywania konstrukcji protez serca, jest zapewnienie biokompatybilności ich powierzchni, kontaktujących się z tkankami pacjenta, adekwatnej do przewidywanego czasu stosowania protezy. Aktywowanie układu krzepnięcia krwi w kontakcie z implantem może prowadzić do powstawania skrzepów i w konsekwencji do poważnych powikłań. W przypadku protezy pozaustrojowej, częściowo wszczepialnej i permanentnej, wymagane jest zatem zapewnienie odpowiednio czasowego, długoterminowego i trwałego ograniczenia ryzyka wykrzepiania krwi na powierzchni protezy. W tym miejscu zastosowanie znajdują zaawansowane technologie inżynierii materiałowej i inżynierii powierzchni. Przedsięwzięcie P01 obejmuje zadania związane z opracowaniem technologii wytwarzania nowych oraz modyfikacji istniejących biomateriałów pod kątem zapewnienia odpowiedniego stopnia biokompatybilności finalnych konstrukcji protez serca.

Analiza fluorescencji w badaniu adhezji komórek dla poliuretanu bazowego oraz zmodyfikowanego powierzchniowo.

W opisywanym okresie, w rezultacie prac badawczych, realizowanych przez 15 instytucji naukowych, opracowano między innymi trzy technologie azotowania, tlenoazotowania i tlenowęgloazotowania, metodami jarzeniowymi, które zostały uruchomione na skalę laboratoryjną, dla wytwarzania zmodyfikowanych powierzchni stopów tytanu i stali, dla wykorzystania w konstrukcjach elementów protez serca. Opracowano siedem technologii modyfikowania powierzchni poliuretanu metodą ablacji laserowej dla długotrwałego obniżenia ryzyka wykrzepiania krwi. Na podstawie przesiewowych badań biologicznych oraz zaawansowanych badań strukturalnych wyselekcjonowano cztery najlepiej rokujące technologie do dalszej optymalizacji. Rezultatem badań nad modyfikowaniem powierzchni poliuretanu metodami jonowymi dla polepszenia hemokompatybilności i ograniczenia ryzyka wykrzepiania krwi, są dwie technologie, uruchomione na skale laboratoryjną z wykonanymi badaniami strukturalnymi uzyskanych wstępnie powierzchni. W zakresie zastosowania metod chemicznego osadzania z fazy gazowej, dokonano optymalizacji parametrów procesu modyfikowania powierzchni poliuretanu związkami węgla. Opracowano trzy metody pokrywania powierzchni poliuretanu przeciwzakrzepowymi warstwami polimerowymi dla czasowego ograniczenia trombogenności protezy pozaustrojowej.

Odrębnym zagadnieniem konstrukcyjnym pulsacyjnych protez serca jest zespół membranowy pompy krwi. Jest on odpowiedzialny za przenoszenie pneumatycznego lub hydraulicznego ciśnienia tłoczenia na objętość krwi w komorze, w celu jej przepompowania. Zespół membrany składa się z trzech warstw, współpracujących ze sobą, z których jedna przeznaczona jest do kontaktu z krwią, dwie pozostałe są warstwami roboczymi. Ważnym jest zatem zapewnienie trwałych właściwości ślizgowych poszczególnych warstw. Przedmiotem jednego z zadań badawczych jest opracowanie technologii nanoszenia powłok tribologicznych na powierzchnie współpracujących warstw zespolu membrany. W tym zakresie dokonano modyfikacji zaproponowanego w poprzednim okresie procesu nanoszenia powłok na bazie węgla, poprzez dodanie możliwości wstępnej aktywacji podłoża poliuretanowego dla polepszenia adhezji tych powłok.

Poliester bazowy oraz modyfikowany materialami węglowymi w postaci granulatu.

Większość zagranicznych firm, trudniących się wytwarzaniem różnego rodzaju protez serca z użyciem materiałów polimerowych, korzysta z dedykowanych, autorskich bądź nabytych technologii wytwarzania tych materiałów, które zarezerwowane są wyłącznie do konstrukcji tych protez. Są to materiały zaawansowane technologicznie, spełniające wysokie wymagania zarówno w zakresie biozgodności i odporności na biodegradację jak i w zakresie parametrów związanych z przetwórstwem. Również w ramach Programu realizowane są badania nad opracowaniem polimeru na bazie poliestrów, dedykowanego dla konstrukcji polskich protez serca. W tym zakresie pierwsze półrocze 2009r zakończono uruchomieniem na skalę laboratoryjną procesu wytwarzania polimeru bazowego oraz modyfikowanego związkami węgla, dla polepszenia hemokompatybilności. Próbki nowych materiałów przebadane zostały pod kątem właściwości fizykomechanicznych i przekazane do badań oceny biologicznej.

Obraz mikroskopowy i struktura podłoża dla hodowli tkankowej.

Szczególnym rezultatem realizacji Programu jest opracowanie nowatorskiej technologii wytwarzania podłoża dla hodowli tkanek dla uzyskiwania powierzchni biologicznie aktywnych w aspekcie konstrukcji protez serca. Ponieważ badania te wykraczają poza zaplanowany w harmonogramie Programu zakres prac, będą kontynuowane w ramach odrębnego projektu badawczego dla późniejszego ich wykorzystania w konstrukcjach protez serca.

Powierzchnia zewnętrzna uszczelnionej protezy przed i po sterylizacji gazowej EO.

Kolejnym elementem konstrukcji protez serca, zarówno pozaustrojowych jak i wszczepialnych, pulsacyjnych i o przepływie ciągłym, są protezy naczyniowe, wykorzystywane w połączeniach pompy krwi z naczyniami krwionośnymi pacjenta. Jedno z zadań Programu poświęcone jest badaniom nad opracowaniem technologii uszczelniania dzianej protezy poliestrowej chitozanem. Na podstawie badań laboratoryjnych potwierdzono bardzo dobre właściwości uszczelniające oraz odporność na sterylizację gazową opracowanego materiału. Pierwsze próbki uszczelnionych protez przekazano do badań szczelności in-vitro z wykorzystaniem krwi zwierzęcej.

Etapy wykonywania formy ceramicznej warstwowej.

Opracowywanie tak wyrafinowanych konstrukcji jak protezy serca, wymaga zastosowania oprócz zaawansowanych technologii inżynierii materiałowej, równie zaawansowanych metod przetwórstwa materiałów. Szczególnie przydatną z punktu widzenia złożonych kształtów detali jest technika odlewnicza. W ramach przedsięwzięcia P01 opracowano technologię wytwarzania pierścienia zastawki dyskowej (zastawka wg projektu Prof. Jacka Molla) metodą odlewniczą ze stopów tytanu. Technologia ta opracowana została dotychczas na skalę modelową i jest w trakcie optymalizacji dla uruchomienia wdrożenia.

W pierwszym etapie realizacji Programu zaproponowano trzy oryginalne metody badawcze oceny biologicznej opracowywanych biomateriałów w kontakcie z tkankami. W opisywanym okresie, z wykorzystaniem tych metod, dokonano pierwszych selekcji wytworzonych w ramach badań technologicznych materiałów. Spośród siedmiu technologii nanoszenia mikrokrystalicznych warstw związków tytanu i węgla na podłoże poliuretanowe metodami laserowymi, wybrano cztery do dalszych badań. Spośród kilku zaproponowanych struktur warstw związków tytanu, tlenu i azotu, nanoszonych metodami jarzeniowymi na elementy tytanowe protez serca, wyselekcjonowano dwie o najlepszej hemokompatybilności.

W ramach realizacji zadań przedsięwzięcia P01 wykonywano również badania oceny biologicznej opracowywanych dla potrzeb konstrukcji protez serca biomateriałów, z wykorzystaniem ustanowionych w poprzednim okresie metodologii badawczych: podstawowej oceny trombogenności w badaniach z wykorzystaniem modelu sil ścinających w krwi pełnej, oceny wpływu rodzaju sterylizacji na właściwości biomateriału oraz zaawansowanego, pełnego pakietu badań biozgodności w kontakcie z tkankami.

Układ reograficznej metody pomiaru objętości krwi w protezie serca.

Oprócz zagadnień konstrukcyjno-materiałowych, zadania Programu uwzględniają opracowanie technik pomiaru parametrów biologicznych i hemodynamicznych, istotnych z punktu widzenia sterowania pracą protezy serca, systemów bezprzewodowego zasilania i transmisji danych oraz systemów sterowania i zdalnego nadzoru wszczepialnych protez serca w warunkach poza klinicznych. Tego rodzaju badania są przedmiotem realizacji przedsięwzięcia P02. W ramach tego przedsięwzięcia, w pierwszej połowie 2009r opracowano reograficzną metodę pomiaru objętości krwi w protezie serca. Zbudowany, modelowy układ konstrukcyjny, wykorzystany został do badań laboratoryjnych oceny skuteczności pomiaru objętości krwi. Skuteczny i możliwie dokładny pomiar tego parametru jest szczególnie ważny w przypadku protez wszczepialnych, gdzie nie jest możliwa wizualna ocena jakości pracy protezy, związanej ze stopniem napełniania i wyrzutu krwi. Stąd też, w programie przewidziano możliwość przeprowadzenia badań nad alternatywnymi technikami pomiarowymi. W tym zakresie opracowano oryginalną, akustyczną metodę oceny objętości chwilowej krwi w protezie serca. Wykonano model fizyczny układu pomiarowego, który został przekazany do badań laboratoryjnych skuteczności pomiaru objętości.

Stanowisko pomiarowe saturacji krwi w konektorze wylotowym komory POLVAD-MEV.

Jedną z koncepcji bieżącej oceny jakości pracy wszczepialnej protezy serca jest wykorzystanie pomiaru poziomu saturacji krwi, jako parametru związanego ze skutecznością prowadzonego procesu wspomagania serca. W tym celu opracowano pulsacyjną metodę fotoelektryczną pomiaru saturacji, zbudowano układ pomiarowy i zweryfikowano poprawność jego działania w badaniach laboratoryjnych z użyciem krwi zwierzęcej.

Dla potrzeb całkowicie wszczepialnej protezy serca, opracowano konstrukcję modelową bezkontaktowego układu dwukierunkowej transmisji danych przez tkankę skórną oraz układu bezprzewodowej transmisji energii dla zasilania protezy. Układy zbudowano w oparciu o wyniki analizy teoretycznej oraz symulacji komputerowych, które zostały zweryfikowane w badaniach laboratoryjnych modeli.

Stanowisko laboratoryjne i układ doświadczalny systemu bezprzewodowej transmisji energii.

Ponadto w ramach przedsięwzięcia opracowano konstrukcję modelową źródła zasilania i magazynowania energii dla potrzeb wszczepialnej protezy serca, opracowaną w oparciu o szczegółową analizę możliwości wykonania, istniejących rozwiązań oraz propozycję technologii wytworzenia ze szczególnym uwzględnieniem układu transmitera.

Osobnym zagadnieniem, związanym z opracowywaniem konstrukcji protez serca jest zaawansowane modelowanie numeryczne, któremu poświęcono jedno z zadań przedsięwzięcia P02. W ramach tego zadania, polegającego na opracowaniu wielkoskalowego modelu numerycznego protezy serca, zbudowano narzędzie programowe do adaptacyjnego tworzenia numerycznych siatek obliczeniowych jako interfejsu dla wprowadzania cyfrowych modeli konstrukcji protez serca, powstających w programach typu CAD oraz opracowano model reologiczny krwi, przeznaczony do implementacji w modelu wieloskalowym protezy serca.



(W treści wykorzystano materiały ze sprawozdań merytorycznych Wykonawców zadań programu).