Титановое сердце на дисковых насосах
Золотым стандартом лечения терминальной стадии сердечной недостаточности считается трансплантация донорского сердца. Потребность в пересадке сердца в России составляет тысячи операций в год, однако выполнить трансплантацию удается примерно одной десятой части нуждающихся пациентов.
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН совместно с Научно-исследовательским институтом проблем кровоснабжения им. Е. Н. Мешалкина и АО НПК «Импульс-проект» разработали и испытали на животных искусственное сердце на основе компактных центробежных дисковых насосов.
Распространенность хронической сердечной недостаточности очень высокая: в Европе насчитывается 14 млн пациентов, в США — более 6 млн, в России — около 3 млн. Ежегодно летальность пациентов из листа ожидания составляет от 30% до 35%. Без своевременной операции средняя продолжительность жизни пациента составляет менее двух лет.
Реальной долговременной альтернативой чужому сердцу является искусственное. Для этого пациенту в зависимости от характера его сердечной недостаточности имплантируется в один или в оба желудочка небольшой насос, который работает от расположенных снаружи аккумуляторов. Совместные эксперименты физиков и медиков показали хорошие результаты: лабораторные животные (свиньи) продемонстрировали стабильную работу оборудования механической поддержки сердца — исследователи провели на них серию испытаний длительностью от трех до шести часов.
«Производители искусственного сердца в России и за рубежом используют центробежные шнековые и лопастные насосы, у которых есть один существенный недостаток,— пояснил один из ведущих разработчиков дискового насоса для поддержки кровообращения кандидат технических наук, сотрудник ИТПМ СО РАН Юрий Приходько.— При отличной производительности и высоком КПД насосы других типов создают сдвиговые напряжения внутри перекачиваемой жидкости, в результате которых эритроциты и другие форменные элементы крови разрушаются».
Сохранить эритроциты и удешевить насос
Уровень разрушений эритроцитов измеряется по содержанию свободного гемоглобина в крови. Эксперименты на дисковом насосе показали, что средний уровень свободного гемоглобина оказался на порядок ниже предельных допустимых значений в ходе шестичасовых стендовых испытаний. В медицинской практике существует официально установленный допустимый уровень разрушения элементов крови, в который укладываются параметры всех существующих современных насосов, однако, находясь внутри этих пределов, предпочтительнее иметь показатели ближе к нижней границе нормы. Именно поэтому ученые выбрали конструкцию дискового насоса Теслы, где эритроциты практически не подвергаются механическим повреждениям.
Работа дискового насоса обеспечивается благодаря трению диска о кровь (вязкое трение), который вращается и увлекает за собой равномерный плавный поток, в котором нет такого резкого перепада давлений внутри жидкости, как, например, в лопастном или шнековом насосе.
Несмотря на использование искусственного сердца во многих странах мира, можно уверенно сказать, что ни одна из существующих технологий не является полностью безопасной для пациентов. Например, чем выше КПД и число оборотов насоса, тем ниже уровень сохранности эритроцитов и других элементов крови, что существенно влияет на самочувствие и иммунитет пациента. Целью сибирских ученых стало если не довести эту технологию до совершенства, то заметно улучшить ее параметры.
Существующая на сегодняшний день российская технология обходится пациентам в 7,5–8 млн руб., что существенно ограничивает количество операций в год. Еще выше стоимость имплантируемых зарубежных приборов поддержки кровообращения. Для сравнения: операция по трансплантации донорского органа стоит 2,5 млн руб., то есть втрое меньше. За 20 лет, с 1998 по 2018 год, во всех российских стационарах было имплантировано 89 искусственных аппаратов, то есть в среднем по 4 в год. Если оптимизировать технологию и масштабировать производство, полагают разработчики из ИТПМ СО РАН, искусственные системы кровообращения могут стать дешевле и доступнее. Конструкция центробежного дискового насоса делает возможным такой сценарий.