在现代医学水平下，心力衰竭仍然是一种毁灭性的疾病，在全球影响着多万人。虽然在上世纪60年代已经成功的实现了使用心脏移植的治疗方式治疗心力衰竭，并成为了治疗患有严重心力衰竭的患者的金标准，但是由于心脏捐赠者的短缺，需要一些其他替代的有效疗法。由此，心脏辅助设备的出现和进一步开发消除或推迟了治疗心力衰竭病症下心脏移植的迫切需要。当前心脏辅助设备可以分为心室辅助设备(VADs)和主动脉反搏设备两个方面。心室辅助设备(VADs)是通常基于单个旋转元件产生恒定流量的旋转泵，其旋转元件可能会造成溶血或血栓等高风险并发症。而主动脉反搏设备的基本原理是允许冠状动脉血流在舒张期增加并在收缩期降低心室后负荷压力，常见的有主动脉内球囊反搏泵(IABP)。
近些年，随着介电弹性体致动器DEAs的研究，在面向线性执行器或触觉设备方面已经取得了一定的进步，但是目前仍然难以获得巨大的应用潜力。DEAs由夹在柔性电极之间的超弹性薄膜制成，当受到电场作用时，产生的麦克斯韦应力导致薄膜在平面外压缩，在平面内膨胀。从力学角度看，DEAs本质上更像一个可控刚度的弹簧与心脏辅助设备的辅助原理相匹配，同时生理主动脉的血压为DEAs致动器本身提供了预拉伸力以达到更高的性能。因此，将DEAs致动器作为衰竭心脏的辅助设备具有很好的基础，并且迄今为止还没有将这些致动器植入人体或动物体内作为血液动力学支持/局部血液功能置换的报道。
近期发表在AdvancedScience杂志上题为”FeasibilityofaDielectricElastomerAugmentedAorta”的文章，来自洛桑联邦理工学院的MorganAlmanza团队开发了一种管状介电弹性体致动器(DEA)，它能够通过减轻主动脉在收缩期的变形和增加其在舒张期的反冲力来辅助心脏工作。在体外复制人体生理流量和压力条件的实验中显示，使用DEAs管状致动器(DEAA)增强主动脉功能的回路，能使心脏提供能量减少5.5%(每周期47mJ)。
图1用于心脏辅助装置的介电弹性体致动器(DEAA)的工作原理
基于韦德克瑟尔效应（Windkesseleffect），生理主动脉在收缩期将心脏的射血贮存，并产生动脉壁的弹性势能，在舒张期释放弹性势能并流向外周保证器官和组织的连续灌注（图1A）。为此，研究人员将DEAs管状致动器(DEAA)在生理上取代了一段升主动脉，通过外部的电压控制其收缩扩张性以卸载心脏的工作负荷。在收缩期开始时，心室将血液泵向主动脉，外部的施加电压和血管内本身的生理压力产生的预拉伸使DEAA扩张软化而降低心室负荷。而在舒张期时，撤去电压使DEAA收缩从而增加主动脉流向外部组织的血液流量(图1C)。在这个循环过程中，DEAA为心室提供的辅助能量由V(体积)-P(压力)曲线的面积决定(图1B)。
图从商业薄膜到管状介电弹性体致动器（DEAA）的制造工艺
图3DEAA的制造结果
对于DEAA致动器的制造，为了获得具有恒定性能的介电弹性体薄膜，研究人员使用基于堆叠和轧制的基础工艺，然后再将致动器做绝缘、电气屏蔽后处理。将碳基电极层和弹性硅薄膜层层堆叠沉积后，卷绕在一根直径为30mm的管子（相当于人体主动脉直径）后在两端切割，互联分割的电极层并使用硅树脂做外部绝缘处理，最后制成的DEAA总长度约60mm，直接30mm（图-3）。DEAA的电阻抗在静态电压下测量电阻R约为10kΩ，电容C约为1.6nF，时间响应仅为几十微妙，满足基本的心脏动力学频率要求。
图4介电弹性体增强主动脉(DEAA)的设置和准静态测量
对于制作的DEAA致动器，研究人员使用定制的试验台首先对其压力-径向位移特性进行了表征。压力-位移特性显示在1kV时径向位移高达14mm。在整个压力和高压范围内的准静态测量会扩大滞后现象。根据实验结果，在1千伏的(高达毫米汞柱)下工作是一个安全的工作电压，使DEAA致动器达到高位移和高能量(图4D)。同时，研究人员研究了DEAA内流体流动过程中的相互作用。由于DEAA通过沿着流体和DEA的膜之间的界面的所有压力做机械功，因此DEAA所产生的机械能为压力-体积循环的面积。在合适外加电压驱动下，CV–CP（蓝色和红色虚线）循环提供的机械功为50mJ/循环，约为心脏提供能量的6%，而CV–CV（蓝色虚线）循环提供的机械功高达mJ，即心脏提供能量的18%。
图5DEAA在0和1kV下的准静态压力-体积特性
最后，研究人员构建了一个复制生理流量和压力条件的脉动流回路（主要模拟从左心室流出升主动脉处，其离心室更近更能和心脏跳动周期同步）以在接近真实复杂流体动力系统条件下测试DEAA致动器，以评估其能有效减轻心脏工作的能量（图6）。其中往复运动的活塞再现左心室的收缩和舒张，临床上使用的机械瓣膜作为瓣膜，DEAA代替了升主动脉形成这个主循环脉动回路。血管内的压力分别在顺从室、左心室和DEAA中测量。根据实验结果，当心室收缩、在瓣膜打开之前接通DEAA电压，由于DEAA的扩张，左心室和顺应性室(心室要克服的“后负荷”)中的压力降低（mmHg降至mmHg）。相反，当DEAA在舒张期关闭，血管内压力增加（增加3mmHg）。由于左心室在收缩时，在DEAA扩张效应下喷射血流时产生压降，心室做功负荷得到减少(从mJ减少到80mJ)，即5.5%的辅助，也就是说心室对于泵送相同量的血液需要更低的能量（图7-8）。
图6复制生理流量和压力条件的脉动流回路
图7DEAA在复制生理血流的脉动流环路中的作用
图8由于电介质弹性体致动器，左心室得到缓解
在这项管状DEA致动器作为升主动脉血管辅助支架降低心脏工作负荷以治疗心力衰竭的概念性研究中，研究人员证明了DEAA通电下扩张的能量(约50mJ)有助于心室工作并且两者间的配合是有效的，柔性的DEAA还克服了目前心脏辅助设备所遇到的溶血、泵剪切诱导血小板活化血液凝固等风险，从测量结果来看，与现有的主动脉反搏动装置相比较具有相似的性能。
--长按
