Künstliches Herz

---

Hintergrund

Ein natürliches Herz hat zwei Pumpen mit jeweils zwei Kammern. Der rechte Vorhof pumpt sauerstoffarmes Blut aus dem Körper in die rechte Herzkammer, die es in die Lunge pumpt. Der linke Vorhof schickt belüftetes Blut von der Lunge in die linke Herzkammer, die es in den Körper pumpt. Bei jedem Herzschlag ziehen sich die beiden Vorhöfe zusammen, gefolgt von den großen Ventrikeln.

Die kongestive Herzinsuffizienz, also die stetig nachlassende Fähigkeit des Herzens, Blut zu pumpen, ist eine der häufigsten Todesursachen. Diese Krankheit wird durch plötzliche Schäden durch Herzinfarkte, Verschlechterung durch Virusinfektionen, Klappenfehlfunktionen, Bluthochdruck und andere Probleme verursacht. Nach Angaben der American Heart Association leben schätzungsweise fünf Millionen Amerikaner mit Herzinsuffizienz und jedes Jahr werden über 400.000 neue Fälle diagnostiziert. Etwa 50 % aller Patienten sterben innerhalb von fünf Jahren. Herzkrankheiten kosteten die Gesundheitsindustrie der Vereinigten Staaten 1998 etwa 95 Milliarden US-Dollar.

Obwohl Medikamente und chirurgische Techniken helfen können, die Symptome zu kontrollieren, ist die einzige Heilung für Herzinsuffizienz eine Organtransplantation. 1998 standen rund 7.700 Amerikaner auf der nationalen Herztransplantationsliste, aber nur 30% erhielten Transplantationen. Künstliche Herzen und Pumpenunterstützungsgeräte wurden daher als potentielle Alternativen entwickelt.

Ein künstliches Herz hält den Blutkreislauf und die Sauerstoffversorgung des Herzens für unterschiedliche Zeiträume aufrecht. Das ideale Kunstherz muss alle 24 Stunden 100.000 Mal schlagen, ohne dass es geschmiert oder gewartet werden muss und muss über eine konstante Stromquelle verfügen. Es muss auch je nach Aktivität des Patienten schneller oder langsamer pumpen, ohne dass es zu Infektionen oder Blutgerinnseln kommt.

Die beiden wichtigsten Arten von Kunstherzen sind die Herz-Lungen-Maschine und das mechanische Herz. Der erste Typ besteht aus einem Oxygenator und einer Pumpe und wird hauptsächlich verwendet, um den Blutfluss während der Herzoperation aufrechtzuerhalten. Dieses Gerät kann nur wenige Stunden betrieben werden, da das Blut nach längerer Zeit geschädigt wird.

Ein mechanisches Herz soll die Gesamtarbeitsbelastung eines Herzens reduzieren, das nicht mehr mit seiner normalen Kapazität arbeiten kann. Diese Herzen bestehen aus Geräten, die das Blut zwischen den Herzschlägen pulsieren lassen, oder verwenden einen künstlichen Hilfsventrikel (linke Herzkammerunterstützung, LVAD), der einen Teil des normalen Herzzeitvolumens pumpt. Da solche Vorrichtungen normalerweise zu Komplikationen für den Patienten führen, wurden sie im Allgemeinen als vorübergehender Ersatz verwendet, bis natürliche Herzen für eine Transplantation erhalten werden können. Weltweit wurden etwa 4.000 LVADs implantiert. Der Markt für diese Geräte wird in den Vereinigten Staaten auf 12 Milliarden US-Dollar pro Jahr geschätzt.

Verlauf

Seit dem späten neunzehnten Jahrhundert haben Wissenschaftler versucht, ein mechanisches Gerät zu entwickeln, das dem Blut Sauerstoff wiederherstellen und überschüssiges Kohlendioxid entfernen kann, sowie eine Pumpe, die die Herztätigkeit vorübergehend ersetzt. Es dauerte fast 100 Jahre, bis 1953 die erste erfolgreiche Herz-Lungen-Maschine von John H. Gibbon Jr. an einem Menschen eingesetzt wurde. Vier Jahre später wurde einem Hund das erste künstliche Herz (aus Kunststoff) der westlichen Welt implantiert . Das Nationale Herzinstitut A. Ein pneumatisches Kunstherz. B. Ein künstliches Herz mit Kreiselzentrifuge. gründete 1964 das künstliche Herzprogramm, das 1969 zum ersten totalen künstlichen Herz für den menschlichen Gebrauch führte.

1970 verlagerte sich der Schwerpunkt auf linksventrikuläre Unterstützungssysteme und blutverträgliche Materialien. Im selben Jahr wurde ein LVAD erfolgreich eingesetzt. Die Entwicklung von Blutpumpen ging jedoch weiter und die Geräte wurden kleiner, leichter, akzeptabler und klinisch erfolgreich. Eine Reihe von Polyurethan und langlebige Kunststoffpumpen wurden ebenfalls entwickelt. In den 1980er Jahren verhängte die Food and Drug Administration (FDA) restriktivere Regeln für den Medical Devices Standards Act, was zu höheren Entwicklungskosten führte. Viele Forschungsgruppen mussten abbrechen, heute sind nur noch wenige übrig.

Der vielleicht berühmteste Wissenschaftler ist Dr. Robert Jarvik, der ein künstliches Herz namens Jarvik-7 erfand. Dieses Gerät aus Aluminium und Kunststoff ersetzt die beiden unteren Kammern des natürlichen Herzens und verwendet zwei Gummimembranen für den Pumpvorgang. Ein externer Kompressor in der Größe eines Kühlschranks hielt das Kunstherz am Schlagen. Barney Clark war der erste Patient, der dieses Herz erhielt. Er überlebte 112 Tage, bevor ihm durch das Implantat verursachte körperliche Komplikationen das Leben kosteten. 1986 wurde William Schroeder der zweite Jarvik-7-Empfänger, der etwa 20 Monate überlebte.

Die medizinische Fachwelt erkannte, dass ein vollständig implantierbares Herz die Mobilitäts- und Infektionsprobleme vermeiden kann, die durch das Jarvik-7 verursacht werden. 1988 begannen die National Institutes of Health mit der Finanzierung der Entwicklung solcher Herzen und unterstützten 1991 ein solches Programm mit insgesamt 6 Millionen US-Dollar. Drei Jahre später wurde ein elektrisches und batteriebetriebenes implantierbares LVAD verfügbar. 1999 wurde Charlie Chappis der erste Patient, der jemals mit einem solchen Gerät aus einem Krankenhaus entlassen wurde. Weitere Kunstherzen unterschiedlicher Bauart werden derzeit getestet.

Rohstoffe

Ein künstliches Herz oder LVAD besteht aus Metall, Kunststoff, Keramik und Tierteilen. Für die Pumpe und andere Metallteile wird eine Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung verwendet, da diese biokompatibel ist und über geeignete strukturelle Eigenschaften verfügt. Die Titanteile werden in einem spezialisierten Titanverarbeiter gegossen. Mit Ausnahme von blutberührten Oberflächen wird das Titan auf ein bestimmtes Finish bearbeitet. Blutberührende Oberflächen erhalten eine spezielle Beschichtung aus Titan-Mikrokügelchen, die sich dauerhaft mit der Oberfläche verbinden. Mit dieser Beschichtung haften Blutzellen an der Oberfläche und bilden eine lebende Auskleidung.

Ein blutkontaktierendes Diaphragma in der Pumpe besteht aus einem speziellen Polyurethantyp, der auch texturiert ist, um die Adhäsion der Blutkörperchen zu gewährleisten. Zwei röhrenförmige Transplantate bestehen aus Polyester (mit denen das Gerät an der Aorta befestigt wird) und die Klappen sind echte Herzklappen, die einem Schwein entnommen wurden. Andere Teile, aus denen der Motor besteht, bestehen aus Titan oder anderen Metallen und Keramiken.

Design

Beim Entwerfen eines LVAD gibt es mehrere kritische Punkte. Die Fluiddynamik des Blutflusses muss verstanden werden, damit genügend Blut gepumpt wird und keine Blutgerinnsel entstehen. Es müssen Materialien gewählt werden, die biokompatibel sind; andernfalls könnte die Pumpe ausfallen. Der Wirkungsgrad des Motors muss so optimiert werden, dass möglichst wenig Wärme entsteht. Wegen möglicher Ablehnung sollte das Gesamtvolumen und die Oberfläche der gesamten Vorrichtung so klein wie möglich gehalten werden. Ein typisches LVAD wiegt etwa 2,4 lb (1.200 g) und hat ein Volumen von 1,4 Pints ​​(660 ml).

Oder. Robert Jarvik.

Robert Jarvik wurde am 11. Mai 1946 in Midland, Michigan, geboren und wuchs in Stamford, Connecticut, auf. 1964 ging er an die Syracuse University in New York, wo er Architektur und mechanisches Zeichnen studierte. Nachdem sein Vater an einer Herzkrankheit erkrankt war, wechselte Jarvik zur Prämedizin. Er schloss sein Studium 1968 mit einem Bachelor of Arts in Zoologie ab, wurde jedoch von medizinischen Fakultäten in den Vereinigten Staaten abgelehnt. Er schrieb sich an der Universität Bologna in Italien ein, verließ sie aber 1971 an der New York University, wo er einen Master of Arts in Berufsbiomechanik erwarb.

Jarvik bewarb sich um eine Stelle an der University of Utah. Der Direktor des Instituts für Biomedizinische Technik und Abteilung Künstliche Organe, Willem Kolff, entwickelte seit Mitte der 1950er Jahre ein künstliches Herz. Jarvik begann als sein Laborassistent und erwarb 1976 seinen Abschluss in Medizin.

Am 2. Dezember 1982 transplantierten Ärzte einem Menschen das erste künstliche Herz. Dieses Gerät aus Kunststoff und Aluminium, das Jarvik-7, wurde Barney Clark implantiert, der nach der Operation 112 Tage überlebte. Mehrere andere Patienten erhielten Jarvik-7-Herzen, aber keiner lebte länger als 620 Tage. Die Hauptvorteile waren, dass ein menschliches Herz nicht warten musste und es keine Chance auf Ablehnung gab. Der offensichtliche Fallstrick war, dass Patienten für immer über Schläuche mit einer Druckluftmaschine verbunden waren.

Das Jarvik-7 wurde schließlich als Notlösung für Patienten verwendet, die auf ein natürliches Herz warteten, und gab Hoffnung, dass es keine Wartezeiten auf Transplantationen geben würde. 1998 setzte Jarvik die Arbeit an einem in sich geschlossenen Gerät fort, um in das erkrankte Herz einer Person implantiert werden, damit es richtig funktioniert.

Der Herstellungsprozess

• 1 Die meisten Komponenten werden nach kundenspezifischen Spezifikationen von Drittherstellern hergestellt, einschließlich Werkstätten und Leiterplattenherstellern. Die Schweineklappen werden bei einer auf Herzklappen spezialisierten Medizintechnikfirma mit Nähten in die Transplantate eingenäht.

  Nachdem alle Komponenten beschafft wurden, wird das LVAD-System zusammengebaut und getestet, um sicherzustellen, dass jedes Gerät alle Spezifikationen erfüllt. Nach dem Test kann das LVAD sterilisiert und für den Versand verpackt werden.

Formen der Polyurethanteile

• 2 Einige Kunstherzhersteller stellen ihre eigenen Polyurethanteile her. Ein Verfahren verwendet eine proprietäre flüssige Lösung, die Schicht für Schicht auf einen Keramikdorn gegossen wird. Jede Schicht wird erhitzt und getrocknet, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Das Teil wird dann vom Dorn entfernt und inspiziert. Andernfalls verwendet ein Dritthersteller ein Spritzguss- oder Vakuumformverfahren in Kombination mit Radiofrequenzschweißen.

Montage

• 3 Jedes Kunstherz braucht mehrere Tage, um es zusammenzubauen und zu testen. Der Montageprozess wird in einem Reinraum durchgeführt, um eine Kontamination zu vermeiden. Jedes Kunstherz besteht aus bis zu 50 Komponenten, die mit speziellen Klebstoffen zusammengefügt werden. Diese Klebstoffe erfordern eine Härtung bei hohen Temperaturen. Mehrere Montagevorgänge erfolgen parallel, einschließlich der Montage des Motorgehäuses und der Komponenten, der Montage des perkutanen Schlauchs und der Befestigung der Druckplatten an der Polyurethanmembran. Diese Teilsysteme werden einzeln geprüft, dann erfolgt die Endmontage des Gesamtsystems. Die Transplantate werden separat zusammengestellt und während der Operation befestigt.

Testen

• 4 Nach Abschluss der Montage wird jedes Gerät mit speziellen Geräten getestet, die Drücke im Körper simulieren. Alle elektronischen Komponenten werden mit elektronischen Testgeräten getestet, um die ordnungsgemäße Funktion aller Schaltkreise sicherzustellen.

Sterilisation/Verpackung

• 5 Nachdem das Kunstherz getestet und bestanden wurde, wird es zur Sterilisation an einen externen Dienst geschickt. Jedes Gerät wird in Plastikschalen versiegelt und an den Herzhersteller zurückgesendet. Anschließend wird es in benutzerdefinierten Koffern verpackt, um es vor Verunreinigungen zu schützen und Beschädigungen zu vermeiden.

Qualitätskontrolle

Die meisten Komponenten haben die Prüfung bereits bestanden, bevor sie beim Herzhersteller eintreffen. Einige Komponenten werden immer noch maßlich geprüft, da sie enge Toleranzen erfordern – in der Größenordnung von Millionstel Zoll, was spezielle Messwerkzeuge erfordert. Um die FDA-Vorschriften zu erfüllen, wird jede im Prozess verwendete Komponente (einschließlich Klebstoffe) nach Chargen- und Seriennummer kontrolliert, sodass Rückverfolgungsprobleme möglich sind.

Nebenprodukte/Abfälle

Titanschrott wird nach dem Umschmelzen und Umgießen zurückgewonnen und recycelt. Ansonsten fällt wenig Abfall an, da die meisten Komponenten die Prüfung bestanden haben, bevor sie die verschiedenen Hersteller verlassen. Andere defekte Teile werden aussortiert. Sobald ein Gerät von einem Patienten verwendet wurde, wird es zur Analyse an den Herzhersteller zurückgeschickt, um das Design zu verbessern.

Die Zukunft

Innerhalb des nächsten Jahrzehnts werden eine Reihe neuer Geräte auf den Markt kommen. Forscher der Pennsylvania State University entwickeln ein elektromechanisches Herz, das mit Hochfrequenzenergie betrieben wird, die durch die Haut übertragen wird. Ein Motor treibt Druckplatten an, die abwechselnd gegen blutgefüllte Plastiksäcke drücken, um das Pumpen zu simulieren. Patienten tragen tagsüber einen Akku und schlafen, während das Gerät an einer Steckdose angeschlossen ist. Dieses künstliche Herz wird bis 2001 am Menschen getestet.

Mehrere Forschungsgruppen entwickeln Pumpen, die Blut kontinuierlich zirkulieren, anstatt eine Pumpwirkung zu verwenden, da diese Pumpen kleiner und effizienter sind. In Australien entwickelt Micromedical Industries Limited eine Rotations-Blutpumpe mit kontinuierlichem Durchfluss, die voraussichtlich bis 2001 einem Menschen implantiert wird. Die Kardiologie-Abteilung der Ohio State University entwickelt eine selbstregulierende Plastikpumpe in der Größe eines Hockeypucks. Diese Pumpe wird den Patienten mehrere Wochen lang implantiert, bis sich das eigene Herz erholt.

Thermo Cardiosystems, Inc. arbeitet auch an einem LVAD mit einer Kreiselpumpe mit kontinuierlichem Fluss, das voraussichtlich im Jahr 2000 implantiert wird, und einem LVAD mit einer Kreiselpumpe mit kontinuierlichem Fluss. Letztere befindet sich noch in einer frühen Entwicklungsphase, soll aber die weltweit erste lagerlose Pumpe sein, also ohne Verschleißteile. Dies wird durch magnetische Aufhängung des Rotors der Pumpe erreicht. Beide Geräte werden mit transkutaner Energieübertragung erhältlich sein, was bedeutet, dass die Geräte vollständig implantierbar sind.

Da immer weniger Spenderherzen zur Verfügung stehen, entwickeln andere auch ein künstliches Herz, das ein dauerhafter Ersatz ist. Diese Ersetzungen können in Abhängigkeit von der körperlichen Verfassung des Patienten in Form einer Unterstützungsvorrichtung für die linke Herzkammer oder eines gesamten künstlichen Herzens vorliegen. LVADs werden vom Erfinder Robert Jarvik und dem renommierten Herzchirurgen Michael DeBakey entwickelt. Total künstliche Herzen werden gemeinsam vom Texas Heart Institute und Abiomed, Inc. in Massachusetts entwickelt. In Japan entwickeln Forscher totale Kunstherzen auf Basis eines Silikon-Kugelventilsystems und eine Kreiselpumpe mit einem Lagersystem aus Aluminiumoxid-Keramik und Polyethylen-Komponenten.

Auch Alternativen zu Kunstherzen und Herzunterstützungspumpen sind in der Entwicklung. So wurde beispielsweise eine spezielle Klemme erfunden, die die Form eines erkrankten Herzens verändert, was die Pumpleistung um bis zu 30 % verbessern soll. Eine solche Vorrichtung erfordert zur Implantation eine minimal invasive Operation.