软机器人技术的进步导致了用于生物医学应用的高保真病理生理学模拟器的发展。通过使用具有与生物组织相似的机械性能的材料，软机器人执行器能够再现各种器官系统的生物力学功能和复杂的运动动力学，包括心脏、胃肠道、呼吸系统等。这些模拟器可以作为开发和测试医疗疗法、治疗计划以及人体生理和疾病研究的系统。然而，他们只能孤立地对器官系统进行建模，无法捕捉到复杂的生理相互作用，例如，由神经激素控制和反馈或补偿机制引起的。

主动脉瓣狭窄（AS）是一种通过钙化和炎症过程介导的通过主动脉瓣的血流阻塞，通常由先天性主动脉瓣缺陷引起。近几十年来，全球AS死亡人数从5万人上升到12万人。如果不治疗，AS可能会导致心力衰竭和猝死。因此，AS高保真模型的发展最终可能为个性化AS管理铺平道路，从而提高AS干预措施的围手术期死亡率和患者预后。

以往的AS活体模型大多使用升主动脉周围的硬条或充气袖带来诱导左心室(LV)压力超负荷。这些装置只能实现简单的同心式主动脉收缩，不能重建AS中观察到的复杂的三维(3D)流动模式，这是由于钙化或先天性瓣膜缺陷造成的几何不适应造成的。此外，他们有限的控制阻止了他们再现先天性主动脉瓣缺陷的血流动力学，这通常会加速AS和主动脉重塑的发生和发展，可能导致其他并发症，包括主动脉瘤、夹层和返流。

成果简介

鉴于此，麻省理工学院Christopher T. Nguyen、Ellen T. Roche研究人员报道了一种高度可调和动态仿生的软机器人主动脉套筒的开发，它再现了继发于AS的压力超负荷的血流动力学，并能够对狭窄的主动脉瓣进行生物力学模拟。

套筒设计

高度可调的仿生软机器人主动脉套筒由三个可膨胀元件或口袋组成，每个元件或口袋连接到一条驱动线。横跨软致动器底座的非弹性织物板在压力下抑制气囊向一个方向的膨胀，狭缝和条状机构允许围绕猪主动脉外壁定位。可膨胀气囊由两块热塑性聚氨酯（TPU）真空成型板制成，并使用TPU涂层尼龙织物作为约束层。

图|软机器人主动脉套筒的概念和设计

准确地再现疾病模型

值得注意的是，在这项工作中，研究人员专注于重建钙化性主动脉瓣，以及最常见的先天性瓣膜疾病二尖瓣或双瓣瓣(BAV)和单瓣主动脉瓣(UAV)的血流动力学，这是一种罕见的先天性瓣膜缺陷，通常与BAV相比预后更差。

软机器人套筒可以在液压准静态容积控制条件下或在气动动态压力控制下驱动。准静态和动态驱动都允许研究人员再现LV压力超负荷的血流动力学。此外，与其他模型相比，可以重新创建患者特定的主动脉血流模式，从而提高准确性。通过在收缩期和舒张期为套筒的每个口袋独立启用驱动动力学和压力水平，该仿生套筒允许重新创建狭窄主动脉瓣的各种运动学，这些运动学可能与人体生理学和疾病的临床前和转化研究相关。

图|准静态和动态主动脉缩窄的体内血流动力学

利用体内和体外磁共振成像，研究人员还量化了与疾病相关的四维血流速度曲线，以及机器人套筒重建的双腔和单腔缺损。套筒的设计可以根据计算机断层扫描数据进行调整，允许设计针对患者的设备，这些设备可能会指导临床决策，并改善主动脉狭窄患者的管理和治疗。

图|通过改变仿生软机器人主动脉套的驱动方案和体内MRI血流动力学来调节主动脉收缩曲线

小结

研究人员描述了利用软机器人技术和MRI的进展，开发高保真、用户可控的人体疾病模型。这些模型利用了血流动力学模拟，可能有助于开发患者特定的应用程序。该模型还可以促进治疗的临床转化；特别是，一组AS患者可以在活体猪模型中进行总结，新的治疗方法可以在临床前进行评估。

这项仿生软机器人技术还可以对更广泛的人类疾病进行建模，为其他医疗应用铺平道路，包括血管疾病(例如，颈动脉狭窄、外周动脉疾病和主动脉缩窄)、肺瓣膜狭窄、尿路或胃肠道括约肌功能障碍和呼吸道阻塞的研究。因此，这些模型可以提供对广泛的病理生理状况的洞察，并通过指导医疗器械和疗法的创新来支持转化性研究。

参考文献：

Rosalia, L., Ozturk, C., Coll-Font, J. et al. A soft robotic sleeve mimicking the haemodynamics and biomechanics of left ventricular pressure overload and aortic stenosis. Nat. Biomed. Eng (2022).

https://doi.org/10.1038/s41551-022-00937-8