Имплантируемый механический насос для экстракорпоральной поддержки сердца

Актуальным вопросом в области применения систем вспомогательного кровообращения остаётся вопрос безопасности таких систем для элементов крови. В настоящее время, для механической поддержки кровообращения, в основном, используются насосные систем двух типов – осевые насосы и центробежные насосы. Основным недостатком подобных типов насосов является травмирующее воздействие лопаток ротора на форменные элементы крови в том числе в следствии высокой скорости вращения ротора (порядка 10 000 оборотов в минуту). Кроме того, следствием турбулентного кровотока в таких устройствах может быть образование тромбов. Главным недостатком применяемых систем в целом является тромбоэмболия, геморрагический инсульт, сепсис, нарастание бивентрикулярной недостаточности и необходимость в антикоагулянтной терапии.

Научным коллективом АО НПК «ИМПУЛЬС-проект» разработана конструкция имплантируемого дискового насоса с применением магнитогидродинамического подвеса для поддержки работы сердца. Созданная конструкция дискового насоса с применением магнитно-гидродинамического подвеса представляет собой новую модель насоса механической и экстракорпоральной поддержки работы сердца, не имеющую аналогов в мире.

Впервые предположение о том, что дисковый насос может найти применение в медицине было сформировано в исследованиях, проводимых ФГБУ «НМИЦ им. акад. Е.Н. Мешалкина» Минздрава России совместно с ИТПМ им С.А. Христиановича СО РАН.

 

Основываясь на комплексе научных исследований, проводимых ведущими трансплантологами и кардиологами в области трансплантологии и имплантации искусственного сердца в период с 80-х гг. ХХ века по настоящее время, а также на основе исследований проведённых ФГБУ «НМИЦ им. акад. Е.Н. Мешалкина» Минздрава России совместно с ИТПМ им С.А. Христиановича СО РАН, научным коллективом АО НПК «ИМПУЛЬС-проект» была разработана экспериментальная модель насоса механической поддержки работы сердца, представляющая собой дисковый насос для левожелудочкового обхода. Экспериментальная модель была выполнена из биосовместимого материала.  

 

Проведённые исследования на экспериментальной модели в ФГБУ «НМИЦ им ак. Е.Н. Мешалкина» Минздрава России показали низкий уровень свободного гемолиза в крови и подтвердили перспективность дальнейших научных исследований. В процессе проведения испытаний использовался макет насоса вспомогательного кровообращения, выполненный из биосовместимого материала. Исследования проводились на экспериментальной модели на крупных лабораторных животных в целях установления биологической совместимости разрабатываемой экспериментальной модели с живым организмом.

По итогу проведённых исследований научным коллективом АО НПК «ИМПУЛЬС-проект» была проведена разработка конструкции дискового насоса с применением магнитно-гидродинамического подвеса для механической и экстракорпоральной поддержки работы сердца человека.

На сегодняшний день, при финансовой поддержки Фонда содействия инновациям разработана конструкция имплантируемого дискового насоса с применением магнитно-гидродинамического подвеса.

Проведены гидродинамические исследования дискового насоса с применением магнитно-гидродинамического подвеса. Научным коллективом АО НПК «ИМПУЛЬС-проект» совместно с ФГБУ «НМИЦ им. акад. Е.Н. Мешалкина» Минздрава России проведён ряд испытаний опытного дискового насоса с применением магнитогидродинамического подвеса на гемолиз на донорской крови.

 

В серии экспериментов (n=5) по прошествии 5 часов работы насоса средний уровень свободного гемоглобина составил 2,2 мг/%, допустимый уровень составляет до 10 мг/%. Результаты проведённых экспериментов доказывают безопасность дискового насоса с применением магнитно-гидродинамического подвеса в отношении эритроцитов крови. Данные проведённых испытаний позволяю утверждать, что дисковый насос вязкого трения может быть успешно использован в качестве имплантируемого насоса механической и экстракорпоральной поддержки работы сердца. 

Характерной особенностью дискового насоса с применением магнитно-гидродинамического подвеса является низкая скорость вращения электродвигателя до 3 000 оборотов/мин, при перекачивании крови в объёме от 7 л/мин до 10 л/мин.

Проведённые исследования показали отсутствие турбулентных потоков и высокие удельные энергетические характеристики при достижении соответствующих расходно-напорных характеристик.

Созданная конструкция дискового насоса с применением магнито-гидродинамического подвеса представляет собой новую модель насоса механической и экстракорпоральной поддержки работы сердца, не имеющую аналогов в мире. Разработанная конструкция дискового насоса с применением магнитно-гидродинамического подвеса запатентована АО НПК «ИМПУЛЬС-проект в качестве изобретения.

Имплантируемый дисковый насос с применением магнитогидродинамического подвеса для поддержки работы сердца – это насос левожелудочкового обхода (left ventricular assist device (LVAD)), используемые для лечения терминальной сердечной недостаточности. Насос на определённый период времени берет на себя функцию кровообращения, в случае если сердце пациента не может полноценно обеспечивать организм достаточным количеством крови.

Дисковый насос с применением магнитно-гидродинамического подвеса может быть применён в следующих вариантах:

  • имплантирован пациенту как сердечный насос LVAD в целях выполнения функции «мост к трансплантации» на определённый период (до пересадки донорского сердца);
  • имплантирован пациенту как сердечный насос LVAD на постоянный период;
  • подключён к пациенту в качестве экстракорпорального вспомогательного кровообращения.

Научно-техническая новизна

Впервые для разработки системы обхода левого желудочка будет использован дисковый насос, имеющий принципиально другой механизм функционирования, что позволяет устранить многие недостатки имеющихся аналогов.

Принцип действия дискового насоса основан на явлении пограничного слоя, который образуется на диске, вращающемся в жидкости. Пограничный слой не только передаёт кинетическую энергию жидкости, находящейся между дисками, но и работает в качестве молекулярного буфера между поверхностью диска и элементами, находящимися в жидкости, что защищает форменные элементы крови от повреждения. При вращении ротора кровь засасывается из левого желудочка сердца через входной патрубок (входное отверстие), и получив ускорение в роторе, выбрасывается в аорту через выходной патрубок (выходное отверстие).

Имплантируемый дисковый насос с применением магнитогидродинамического подвеса удовлетворяет медико-биологические требования: расход крови от 5 до 7 л/мин; тензор сдвиговых напряжений не превышает 120 Па; перепад давления в рабочем режиме в 100-110 мм рт. ст., при этом максимальный перепад давления до 240 мм.рт.ст., скорость вращения ротора 3 000 об/мин.

Преимущества дискового насоса с применением магнитогидродинамического подвеса:

  • простота конструкции;
  • низкая стоимость (по сравнению с импортными насосами поддержки сердца);
  • высокий КПД;
  • меньшая травма форменных элементов крови;
  • низкий показатель сдвиговых напряжений.

Внешний вид опытного образца дискового насоса в сборе с подключением к системе управления. Цифрами обозначены: 1- аккумуляторные батареи; 2 – дисковый насос; 3 – система управления.

2020 год будет посвящён доклиническим испытаниям дискового насоса с применением магнитно-гидродинамического подвеса.

Выпуск готового изделия запланирован на 2021 год.

Имплантируемый вариант подключения дискового насоса (LVAD) к сердцу. 

Авторами проекта ведётся работа по созданию системы дистанционного мониторинга состояния пациента «Пациент – Доктор». Такая система предназначена для сопровождения пациентов, находящихся на вспомогательном кровообращении, в постоперационный период, выписанных из медицинского учреждения.