Искусственное сердце, содержащее миниатюрные космические технологии, скоро будет биться внутри человека, поскольку теперь оно одобрено для испытаний на людях во Франции.
В связи с тем, что только в развитых странах от болезней сердца погибло более 100 миллионов человек, а потребность в трансплантации намного превышает пожертвования, создание полностью искусственного сердца было святым Граалем сердечно-сосудистой медицины на протяжении полувека.
Этот протез – детище дальновидного кардиохирурга профессора Алена Карпентье – результат 15-летнего сотрудничества с космическим гигантом Astrium, космическим подразделением EADS. В 2008 г. при поддержке правительства Франции и инвесторов проф. Карпентье основал дочернюю компанию EADS, Carmat, чтобы завершить работу.
Сочетая в себе уникальный опыт профессора. Компания Carpentier, известная во всем мире изобретением наиболее часто используемых сердечных клапанов, опираясь на опыт Astrium в создании спутников, Carmat в начале этого года выпустила свое первое полностью искусственное сердце.
Оказалось, что в космосе есть ингредиенты, в которых нуждается Кармат. В тесном сотрудничестве с инженерами-спутниками компания применила опыт Astrium в создании космических кораблей, чтобы гарантировать необходимую точность и долговечность искусственного человеческого органа, такого как сердце.
Созданный частично из биологических тканей и частично из миниатюрного спутникового оборудования, устройство сочетает в себе последние достижения медицины, биологии, электроники и материаловедения, чтобы имитировать настоящее сердце.
Команде предстояло создать устройство, которое могло бы выдержать жесткие условия системы кровообращения организма и безошибочно перекачивать 35 миллионов раз в год в течение как минимум пяти лет. Им нужна была максимальная надежность, и ответ пришел из методологий проектирования, стратегий тестирования и ноу-хау для электроники на спутниках.
"Пространство и внутренняя часть вашего тела имеют много общего," – говорит Матье Доллон, руководитель отдела развития бизнеса французской команды Elancourt Equipment компании Astrium, которая искренне сотрудничает с Carmat.
"Оба они представляют собой суровые и труднодоступные условия."
Спутники связи рассчитаны на 15 лет автономной работы в космосе на высоте 36 000 км над Землей. Сердце может быть ближе, чем спутник, но оно так же недоступно.
"Провал в космосе – не вариант.Также нет обслуживания на месте. Если какая-то деталь выходит из строя, мы не можем просто пойти и починить ее. То же внутри тела."
Точно так же космические инженеры не терпят перебоев или ошибок в своей электронике. Член команды Дунг Во-Куок, который разработал часть жизненно важной электроники для сердца, отмечает: "Если ваш спутник перестает работать во время финального пенальти чемпионата мира по футболу, это разочаровывает. Но если сердце перестает биться на пять секунд, это смертельно.
"Мы очень стараемся убедиться, что каждая отдельная часть будет функционировать, как запланировано, в течение всего срока службы устройства."
Именно эта потребность в долгосрочной надежности делает порог качества для космической электроники выше, чем для любой другой области. Каждый компонент должен быть тщательно протестирован, чтобы убедиться, что он выдержит испытание временем, даже в самых суровых условиях.Ничего не оставлено на волю случая.
Каждый из 900 крошечных компонентов в сердце Carmat должен работать безупречно.Как и в случае со спутниками, команда использовала передовые технологии моделирования и цифрового моделирования и разработала испытательные стенды последнего поколения для проведения тщательного анализа.
Для технического директора Carmat Марка Гримме это стало откровением, "Я не совсем понимал, насколько требовательны испытания космического корабля. Я знал, что у военных высокие стандарты, но в космосе планка еще выше."
Одобрено для имплантатов человека
Эта строгость окупилась. Французское управление здравоохранения сочло протез достаточно надежным, чтобы разрешить установку первых человеческих имплантатов в трех утвержденных больницах Парижа. Теперь врачи могут начать выбирать первых четырех пациентов, чтобы испытать его в их телах.
"Обратный отсчет начался до следующей фазы," говорит Марк Гримме. "Это немного похоже на прибытие в базовый лагерь на Эвересте и получение разрешения на переход на следующий уровень. Это очень увлекательно и очень эмоционально."
Одна из задач заключалась в том, чтобы создать сердце, которое билось бы как настоящее и ускорялось или замедлялось в зависимости от уровня нагрузки его владельца. У космоса тоже был ответ.
Основанная на технологиях, разработанных для европейских космических проектов, крошечная электроника в протезе сердца эквивалентна электронике в автобусе телекоммуникационного спутника.
"Как и сердце, спутник должен самостоятельно реагировать на то, что происходит вокруг него," объясняет Матье Доллон.
"У него есть мозг, бортовой компьютер, который собирает с датчиков информацию о его местонахождении в космосе и окружающей среде, например о его местоположении или температуре. Затем он приказывает спутнику выполнять такие функции, как наведение антенны на Землю или вращение своих солнечных крыльев по направлению к Солнцу."
В сердце та же технология, только в 100 раз меньше. Высокотехнологичные датчики определяют уровень нагрузки пациента и передают информацию на миниатюрный компьютер. Это заставляет бесщеточные двигатели размером с кристалл перекачивать сердце быстрее или медленнее, позволяя ему подавать больше или меньше кислорода в тело и контролировать кровяное давление в зависимости от уровня активности человека.
Еще одним препятствием было построить сердце, которое тело могло бы лучше принять. Предыдущие искусственные сердца вызывали осложнения, поскольку синтетические материалы вызывали образование тромбов, которые могут перемещаться в мозг и вызывать инсульты. Протез Carmat преодолевает это за счет использования перикарда животного, мембраны, окружающей сердце, которая подверглась химической обработке для снижения иммунного ответа хозяина.
Устройство имеет две камеры, разделенные мембраной, причем биологическая ткань на одной стороне контактирует с кровью пациента, а полиуретан – на другой. Миниатюрная насосная система двигателей и гидравлических жидкостей изменяет форму мембраны. Он также использует биологический материал для искусственных клапанов, созданных проф.Карпентье.
"Слияние космических технологий с медицинскими и биологическими науками для создания потенциально спасающего жизнь органа – это не только подвиг человеческой инженерии," говорит Клод-Эммануэль Серр из Tech2Market.
"Это также отличный пример того, как передовые космические технологии и опыт могут принести конкретную пользу нашей жизни здесь, на Земле."
Tech2Market – французский партнер в сети передачи технологий ЕКА, созданной Офисом программы передачи технологий Агентства в 13 европейских странах, которая поддерживает некосмическую отрасль в выявлении потенциала среди тысяч легкодоступных космических технологий.
По мере того, как начинаются первые клинические испытания сердца Кармат, г-н Доллон добавляет:, "Это немного похоже на наблюдение за запуском вашего первого спутника в космос на ракете, но еще более эмоционально."
В то время как спутники – это коммерческие товары, главное в сердце – дать жизнь: "Если это сердце, сделанное из биологического материала, объединенного с космическими технологиями, может помочь людям жить лучше, тогда мы все сможем очень гордиться этим достижением."