本物の心臓のように見える。初の完全に柔らかい人工心臓の目標は、自然の心臓をできる限り忠実に模倣することだ。シリコーン製心臓は、ETHチューリッヒで機能性材料工学教授のヴェンデリン・シュタルクが率いるグループに所属する博士課程学生、ニコラス・コールスが開発した。自然を手本にすべき理由は明らかだ。現在使われている血液ポンプには多くの欠点がある。機械部品は合併症を引き起こしやすく、患者には生理的な脈拍がないため、患者に何らかの影響を及ぼすと考えられている。
「そのため私たちの目標は、患者自身の心臓とおおむね同じ大きさで、形状と機能の両面で人間の心臓をできる限り忠実に模倣する人工心臓を開発することです」とコールスは話す。十分に機能する人工心臓は切実に必要とされている。世界では約2,600万人が心不全を患う一方、移植用の心臓は不足している。人工血液ポンプは、患者がドナーの心臓を受け取るか、自身の心臓が回復するまでの待機期間をつなぐ助けとなる。
柔らかい人工心臓は、3Dプリントによるロストワックス鋳造法を用いてシリコーンから作られ、重さは390グラム、容積は679 cm3である。「内部に複雑な構造を持つシリコーン製の一体成形品です」とコールスは説明する。この人工心臓には、本物の人間の心臓と同じく右心室と左心室がある。ただし、両者は中隔ではなく、追加のチャンバーで隔てられている。このチャンバーは圧縮空気によって膨張・収縮し、血液室から液体を送り出す。これにより、人間の心臓の筋肉の収縮を代替する。
新たな発想で考える
ミルコ・メボルト教授が率いるチューリッヒ製品開発グループの博士課程学生、アナスタシオス・ペトルーは、この柔らかい人工心臓の性能を評価した。若手研究者たちは、実験結果を科学誌Artificial Organsに発表したばかりだ。
研究者たちは、柔らかい人工心臓が基本的に機能し、人間の心臓に似た動きをすることを実証した。しかし、まだ問題が一つある。現時点では約3,000回の拍動しかもたず、これは30分から45分の寿命に相当する。その後は、素材が負荷に耐えられなくなる。コールスはこう説明する。「これは単なる実現可能性の検証でした。移植可能な心臓を提示することではなく、人工心臓の開発に新たな方向性を見いだすことが目標でした」。当然ながら、素材の引張強度と性能を大幅に高める必要がある。
チューリッヒ・ハートが研究者を結集
コールスとペトルーは、チューリッヒとベルリンのさまざまな分野・機関から20の研究グループが参加する、チューリッヒ大学医学の旗艦プロジェクト「チューリッヒ・ハート・プロジェクト」で出会った。研究の一部では、ポンプの機械部品による血液損傷を減らす方法など、既存の血液ポンプの改良に焦点を当てている。一方、極めて弾性の高い膜や、より生体適合性の高い表面を探究する研究もある。こうした研究は、チューリッヒとベルリンの臨床医と緊密に連携して進められている。
研究者間の活発な交流も、このチューリッヒ・ハートのサブプロジェクトに役立った。血液ポンプの新技術に取り組むチューリッヒ製品開発グループの博士課程学生たちは、人間の心血管系をシミュレーションできる試験環境を開発した。シリコーン製心臓の研究者たちは開発過程でこの試験環境を活用し、人間の血液に近い粘度の液体も使用した。「現時点で、私たちのシステムはおそらく世界でも最高水準の一つです」とペトルーは誇らしげに語る。
心臓の研究は魅力的な仕事であり、コールスとペトルーはともにこの研究分野にとどまりたいと考えている。「機械技術者として、自分が柔らかい心臓を手に持つことになるとは思いもしませんでした。今ではこの研究にすっかり魅了され、人工心臓の開発をぜひ続けたいと思っています」とペトルーは話す。
