Примерно у каждого второго пользователя желудочковых вспомогательных устройств диагностируется инфекция. Причина тому - толстый кабель блока питания. Исследователи ETH Zurich разработали решение, позволяющее смягчить эту проблему.
Для многих пациентов, ожидающих донорского сердца , единственный способ прожить достойную жизнь — это использовать насос, прикрепленный непосредственно к сердцу. Этот насос требует примерно столько же энергии, сколько телевизор, который он получает от внешней батареи через кабель толщиной семь миллиметров. Система удобна и надежна, но у нее есть один большой недостаток: несмотря на медицинское лечение , точка, в которой кабель выходит из брюшной полости, может быть поражена бактериями.
Исследователь и инженер ETH Zurich Андреас Куруклис работает над тем, чтобы как можно скорее оставить эту проблему в прошлом. При поддержке профессора ETH Zurich Эдоардо Маццы и врачей Немецкого кардиологического центра в Берлине Куруклис разработал новую кабельную систему для сердечных насосов, которая не вызывает инфекций. Результаты опубликованы в журнале Biomaterials Advances .
Это особенно важно, учитывая, что беспроводные методы передачи энергии в обозримом будущем останутся недоступными для пациентов. Куруклис получил стипендию пионера от ETH Zurich для продвижения своей технологии.
Тонкие провода с кратерами вместо толстого кабеля
«Толстый кабель, используемый в существующих системах желудочковой поддержки, создает открытую рану , которая не заживает и серьезно ухудшает качество жизни пациентов», — говорит Куруклис. Вокруг места выхода образуется рубцовая ткань с ограниченным кровоснабжением. Это не только ухудшает способность кожи к самовосстановлению, но и увеличивает риск заражения .
Поскольку наружные слои кожи изранены и неплотно прикреплены к плоской поверхности толстого кабеля, они врастают вниз. В результате бактерии могут перемещаться с поверхности кожи в более глубокие слои тканей, что часто приводит к тому, что пациентам приходится бороться с инфекциями и нуждаться в повторной госпитализации.
Исследователи ETH Zurich придумали технологию, позволяющую исправить ситуацию. Вместо того, чтобы питать сердечный насос через толстый кабель, который намного жестче человеческой кожи, они используют несколько тонких и гибких проводов с шероховатой неровной поверхностью. Куруклис и его команда сравнивают свой подход с тем, как человеческие волосы проникают через кожу, не вызывая инфекций. «Более гибкие провода, поверхность которых полна микроскопических кратеров, помогают коже заживать», — говорит Куруклис.
Причина этого в том, что внешние слои кожи лучше прилегают к этим проводам и не прорастают внутрь. Новые ткани формируются быстрее, а кожа с большей вероятностью останется неповрежденной и станет барьером против бактериальной инфекции.
Кредит: ETH Цюрих
Капли воды создают крошечные кратеры
Чтобы создать кратеры на поверхности кабелей, команда инженеров под руководством Куруклиса и Маццы разработала новый процесс, который позволяет создавать очень маленькие неравномерные узоры на неплоских поверхностях, что раньше было невозможно.
Этот метод, который в настоящее время запатентован в ETH Zurich, предполагает покрытие гибких кабелей тонким слоем силикона и охлаждение их до –20°C. Поверхность кабелей таким образом становится податливой. Затем их помещают в камеру конденсации, где маленькие капли воды вдавливаются в жидкий слой силикона, создавая микроскопические кратеры. «Мы можем контролировать положение кратеров на кабелях, регулируя влажность и температуру в конденсационной камере», — говорит Куруклис.
Проблема здесь в том, что кратеры не могут быть слишком большими или слишком маленькими. Если они слишком велики, в них могут поселиться бактерии и увеличивается риск заражения; если они слишком малы, кожа не прилипает к ним и растет внутрь — в этом случае также увеличивается риск заражения. Классическая задача оптимизации, которую Куруклис и его команда решают с помощью вычислительных и экспериментальных методов биомеханики тканей и биоматериалов.
Первоначальные тесты подтверждают более низкий риск заражения
Куруклис и его коллеги провели первоначальные испытания на культурах клеток кожи, прежде чем имплантировать овце как старые и толстые кабели, так и новую кабельную систему. Результаты вселяют оптимизм исследователя ETH Zurich: в то время как толстые кабели с плоской поверхностью вызывали сильное воспаление, тонкие гибкие кабели вызывали лишь легкие воспалительные реакции. Во время испытаний ни одна овца не получила серьезных травм.
Что ещё более важно, в отличие от толстых тросов, овечья кожа лучше интегрировалась с новыми тросами и почти не врастала внутрь. Соответственно, тонкие кабели с кратерами не стали причиной заражения животных.
Куруклис в настоящее время работает с инженерами медицинского оборудования и кардиохирургами над улучшением кабельной системы. Его цель — как можно скорее вывести технологию на рынок. Но прежде чем его можно будет использовать у пациентов с заболеваниями сердца, потребуется серия испытаний на моделях кожи, животных и, в конечном итоге, на людях.
