Artificial Heart — 用中文阅读
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几个世纪以来，心脏衰竭意味着迅速而往往痛苦的死亡。到了二十世纪中叶，先进的外科技术可以修复一些心脏问题，但对于那些患有不可逆转的终末期心脏病的人来说，预后仍然不容乐观。捐献心脏的需求远远超过了供应，使无数患者陷入绝望。医学界面临着一个无法克服的挑战：他们如何才能取代人体最重要的器官？ “人类的心脏是一个工程奇迹，”人工器官研究先驱威廉·科尔夫医生在他的实验室里对他的同事克利福德·关格特医生沉思道，“它那错综复杂的腔室、瓣膜和肌肉的舞动——流体动力学和生物学之间微妙的平衡——极其复杂。我们不只是想泵血；我们是在试图模仿生命本身。”关格特医生严肃地点点头，检查着一个血液泵原型。“还有材料，威廉。我们如何创造血液不会排斥、不会引起灾难性血栓或感染的表面？这是核心问题。”
在心脏移植和人工心脏技术出现之前，患有严重心力衰竭的病人面临着生活质量持续下降的困境。他们的心脏衰弱肿大，难以将足够的含氧血液泵送到全身，导致慢性疲劳、呼吸急促和水肿。生活变成了每天与呼吸的挣扎，随着重要器官开始因血流不足而受损，他们慢慢被限制在床上。当时没有长期的解决方案，只能管理症状。 “每天都感觉像在跑马拉松，即使只是走到窗边，”一位明显有液体潴留的病人在一间无菌病房里，声音嘶哑地对忧心忡忡的医生说。这位医生是一位四十多岁末的女性，表情和蔼但严肃，她把手放在病人的手臂上。“您的心脏工作得非常努力，戴维斯先生。我们正在尽一切努力用药物治疗，但是……我们已经达到了传统疗法所能达到的极限。我们需要一些更具革命性的东西，才能真正让您重获新生。”病人叹了口气，闭上眼睛，病情的沉重显而易见。“我只是想再次轻松呼吸。”
二十世纪初到中期，从抗生素到开心手术的医学进步，改变了医疗保健的许多领域。然而，当病患自身的心肌被彻底破坏时，科学却碰壁了。心脏移植虽然具有革命性，但由于合适的捐赠器官稀缺以及预防免疫排斥的巨大挑战而受到严重限制。一种机械替代品，即“人工心脏”，成为了一个难以捉摸的梦想，是成千上万患者唯一可以想象的答案。制造一种既实用又生物相容的设备，其复杂性仍然是一个艰巨的科学前沿。 “对捐赠心脏的需求是一个持续的、沉重的负担，”著名心脏外科医生迈克尔·德贝基医生在二十世纪六十年代末的一次紧张的医学会议上向一群同事倾诉，“对于每一个可能受益于移植的病人，等待名单上还有一百个，他们的时间所剩无几。我们根本没有足够的可用器官。”另一位外科医生阿德里安·坎特罗维茨医生补充道：“即使我们找到了匹配的器官，终生与免疫抑制作斗争，排斥的风险……这只是暂时的缓解，而不是治愈。我们必须找到替代方案。正如伟大的罗马哲学家塞内加曾经观察到的，‘并非因为事情困难我们才不敢做；而是因为我们不敢做，事情才变得困难。’我们必须敢于创造一颗机械心脏，尽管生物相容性存在困难。”
人造心脏的概念并非诞生于某个灵光乍现的瞬间，而是通过数十年不懈的实验逐渐演变而来的。荷兰医生威廉·科尔夫，因在第二次世界大战期间发明了人工肾脏而闻名，在二十世纪五十年代将他卓越的才智转向了心脏。他相信，如果他能机械地替代肾脏功能，那么心脏也能被复制。他早期的工作是粗糙的，通常涉及简单的气动泵和原始材料，为未来的突破奠定了基础。 “我们最初的尝试确实很粗糙，但对于理解所涉及的力至关重要，”科尔夫医生在他繁忙的实验室里向一位年轻的研究助理解释道，他指着一个笨重、透明的塑料腔室。“我们学到了关于压力、容量以及血液循环纯粹机械原理的宝贵经验。例如，这个基本泵利用压缩空气推动柔性膜，模拟心室的收缩。”这位扎着头发、敏锐的女士助理奋笔疾书地做着笔记。“所以，空气基本上是把血液挤出去的？”她问道。“正是如此，”科尔夫证实，“但挑战不仅仅是泵血；而是在不损害脆弱血细胞的情况下完成这项工作。”
人工心脏的研发之路充满了工程和生物学上的重重挑战。除了简单地制造一个泵，发明者还必须应对人体对异物的排斥反应。血细胞在接触大多数塑料和金属时会凝结，导致危险的堵塞。材料还需要足够耐用，能够承受数百万次泵送循环而不降解，但又足够灵活，以模拟自然心脏的动作。这些解决方案需要在材料科学和生物力学工程方面进行创新。 “问题不仅仅在于让它泵血，而在于让它能在体内生存，”唐·奥尔森医生，一位与科尔夫医生合作的生物工程师，在洁净室里向一群材料科学家强调道，他手里拿着一小块光滑的医用级塑料样本。“我们需要一个完全惰性的表面，一个身体能接受为自身一部分的表面。每一个粗糙的边缘，每一个化学杂质，都可能引发灾难性的免疫反应或血栓形成。”一位留着浓密胡须、戴着安全眼镜的材料科学家回答说：“我们已经测试了无数种聚合物——硅酮、聚氨酯。柔韧性、耐用性和生物相容性的理想组合仍然难以捉摸，但我们正在接近。我们正在尝试新颖的表面涂层，这可能会欺骗血液，让它以为自己仍在天然血管中。”
数十年的概念性工作最终促成了 Jarvik-7 的诞生，它由罗伯特·贾维克在犹他大学威廉·科尔夫手下工作时设计。Jarvik-7 在早期设计的基础上，是一种双心室搏动泵，旨在取代人体心脏的两个下腔室。它的创新之处在于其简化的设计，利用气压驱动柔性隔膜，以及其材料的选择——光滑聚氨酯和一种特定类型织物的组合，这种织物允许组织长入，试图缓解凝血问题。 “关键的洞察力在于简化了泵送机制，”戴着眼镜、留着深色头发的坚毅年轻工程师罗伯特·贾维克医生向一群外科医生解释道，他指着 Jarvik-7 的详细图表。“每个心室都使用一个气动隔膜，它将血液泵出，然后收缩以吸入血液。它模仿了心脏的自然搏动流。真正的挑战是改进材料，以在不引发身体防御的情况下实现耐用性。”一位外科医生检查着一个透明塑料模型，问道：“那么空气是外部供应的吗？”“正是如此，”贾维克证实，“通过连接到大型外部控制台的管道。这并不理想，但对于早期的长期支持来说，这是一个必要的折衷。”
Jarvik-七型人工心脏是一种全人工心脏，旨在完全承担泵血功能。它由两个主要部件组成，一个用于左心室，一个用于右心室。每个部件都含有一个柔性聚氨酯隔膜，将血腔与气腔分开。由一个大型控制台控制的外部气压，周期性地输送到气腔。这种压力将隔膜向内推，将血液从心脏排出到动脉系统。当压力释放时，隔膜回弹，允许血液从身体的静脉系统流回设备，从而复制了心脏的自然泵血周期。 “观察这些精确的机械装置，”一位首席生物医学工程师指示一位新技师，他们站在一台正在运行的Jarvik-七型演示装置前。该装置浸泡在一个透明的模拟血液箱中，清晰可见地搏动着。“由控制台提供的压缩空气进入这个入口，将隔膜向内推动。这个动作与对侧心室同步，将血液泵入主动脉和肺动脉。”这位扎着整齐马尾辫的年轻技师专注地看着。“然后空气就排出去了吗？”“没错，”工程师证实。“隔膜放松，流入阀门打开，将血液吸回。这种大约每分钟七十次搏动的节奏维持着循环。我们不断监测压力和流速，以确保最佳性能。”
一九八二年十二月二日，在犹他大学医学中心，威廉·德弗里斯医生将“贾维克七号”人工心脏植入六十一岁的退休牙医巴尼·克拉克体内，这是一次具有里程碑意义的医学事件。克拉克当时患有严重心肌病，生命只剩下几天。这场持续了七个小时的手术在技术上取得了成功，标志着人类生命首次由永久性人工心脏维持。然而，胜利是短暂的，严重的血栓和感染等关键挑战随之出现，导致了一系列中风和器官衰竭。克拉克存活了一百一十二天，这证明了人类的韧性和该设备的潜力，但也严酷地提醒着人们巨大的生物学障碍。这次深刻的经历让医学界认识到，仅仅泵血是不够的；机器与生物体之间的界面至关重要。 “手术本身完美无瑕，是工程和外科技术的胜利，”主刀医生威廉·德弗里斯医生在术后召集的一支沉重的医疗团队面前回忆道，他的脸上刻满了疲惫。“巴尼·克拉克的心脏衰竭了，但现在，‘贾维克七号’正在泵血。然而，正如我们研究早期所讨论的，身体对外来物质的反应仍然是我们最大的敌人。尽管我们积极抗凝，但我们看到了血栓栓塞的早期迹象。科尔夫和关杰特所说的生物学和机械之间的微妙平衡，即让表面与血液兼容的挑战，正被证明异常困难。”另一位外科医生补充道：“确实，并发症很明显。正如医学之父希波克拉底所说，‘医术漫长，生命短暂，机遇稍纵即逝，实验危险，判断困难。’我们抓住了机遇，但这场危险的实验仍在给我们上关于身体复杂防御机制的艰难一课。”
Jarvik-7 虽然是开创性的，但最终因其高并发症发生率而面临限制。然而，它的遗产激发了深入的研究。焦点从全人工心脏转向了心室辅助装置 (VADs)，这是一种较小的泵，用于辅助衰竭的心脏，而不是完全取代它。这些设备，最初用于临时支持，后来用于长期使用，使患者能够在等待移植期间存活数年，甚至作为永久性的“目的地疗法”。材料、小型化和连续流设计的技术进步显著改善了治疗效果，提供了前所未有的活动能力和生活质量。 “从完全替代到辅助设备的演变是一个关键时刻，”心脏外科领域的领军人物艾米丽·赵医生在一家现代诊所向她的住院医生解释道。“VADs 改变了游戏规则。我们不是替换整个心脏，而是增强其功能。看看这位患者的 X 光片，”她指着屏幕上显示一个小型植入设备的数字图像说，“HeartMate II 是一种连续流泵，它显著改善了生活质量。患者可以出院回家，并活上数年。小型化、材料生物相容性的改善——与早期的 Jarvik-7 设计相比，这真是令人惊叹。”这位年轻的住院医生表情专注地点了点头。“所以，侵入性更小，风险更低？”赵医生证实道：“正是如此，而且生活质量也大大提高。这些设备正在为患者争取宝贵的时间。”
人工心脏从早期的实验性原型到精密的植入式设备，其发展历程反映了人类在战胜疾病方面不懈的追求。尽管挑战依然存在，包括需要更耐用、完美生物相容的材料，以及无需外部连接即可完全植入的系统，但人工心脏及其后代——心室辅助装置（VADs）——已经彻底改变了心脏护理的格局。数百万人的生命得以延长，生活质量也得到了显著改善。威廉·科尔夫及其继任者最初大胆的愿景仍在强劲跳动，预示着一个未来：衰竭的心脏不再意味着不可避免的终结。 “我们已经取得了长足的进步，但前方的道路依然令人兴奋，”一位顶尖的生物医学工程师，亚历克斯·陈博士，在一次大学讲座中热情洋溢地说道，他展示了一张关于完全植入式无线人工心脏概念的幻灯片。“想象一下，未来衰竭的心脏可以无缝替换，无需笨重的外部设备。我们正在研发自供电装置、防止任何凝血的先进生物涂层，甚至利用再生医学来潜在地再生心肌组织。人类精神以其独创性，不断突破界限。”一名学生举手问道：“所以目标是制造一个与天然心脏无法区分的心脏吗？”陈博士笑了。“要么是那样，要么更好。我们不仅寻求模仿，更要真正延长和改善生命。人工心脏不仅仅是一台机器；它是毅力和创新的证明。”