Hati Buatan

Latar Belakang

Jantung alami memiliki dua pompa, masing-masing dengan dua ruang. Atrium kanan memompa darah yang kekurangan oksigen dari tubuh ke ventrikel kanan, yang memompanya ke paru-paru. Atrium kiri mengirimkan darah aerasi dari paru-paru ke ventrikel kiri, yang memompanya keluar ke tubuh. Dengan setiap detak jantung, kedua atrium berkontraksi bersama, diikuti oleh ventrikel besar.

Gagal jantung kongestif, yang merupakan penurunan kemampuan jantung untuk memompa darah, merupakan salah satu penyebab utama kematian. Penyakit ini disebabkan oleh kerusakan mendadak akibat serangan jantung, kerusakan akibat infeksi virus, malfungsi katup, tekanan darah tinggi dan masalah lainnya. Menurut American Heart Association, diperkirakan lima juta orang Amerika hidup dengan gagal jantung dan lebih dari 400.000 kasus baru didiagnosis setiap tahun. Sekitar 50% dari semua pasien meninggal dalam waktu lima tahun. Penyakit jantung merugikan industri kesehatan Amerika Serikat sekitar $95 miliar pada tahun 1998.

Meskipun pengobatan dan teknik bedah dapat membantu mengendalikan gejala, satu-satunya obat untuk gagal jantung adalah transplantasi organ. Pada tahun 1998, sekitar 7.700 orang Amerika masuk dalam daftar transplantasi jantung nasional tetapi hanya 30% yang menerima transplantasi. Jantung buatan dan alat bantu pompa telah dikembangkan sebagai alternatif potensial.

Jantung buatan mempertahankan sirkulasi darah dan oksigenasi jantung untuk berbagai periode waktu. Jantung buatan yang ideal harus berdenyut 100.000 kali setiap 24 jam tanpa memerlukan pelumasan atau perawatan dan harus memiliki sumber daya yang konstan. Itu juga harus memompa lebih cepat atau lebih lambat tergantung pada aktivitas pasien tanpa menyebabkan infeksi atau pembekuan darah.

Dua jenis utama jantung buatan adalah mesin jantung-paru dan jantung mekanis. Jenis pertama terdiri dari oksigenator dan pompa dan terutama digunakan untuk menjaga aliran darah saat jantung dioperasi. Mesin ini hanya dapat beroperasi selama beberapa jam karena darah menjadi rusak setelah waktu yang lama.

Jantung mekanis dirancang untuk mengurangi beban kerja total jantung yang tidak dapat lagi bekerja pada kapasitas normalnya. Jantung ini terdiri dari peralatan yang memompa darah di antara detak jantung atau menggunakan ventrikel bantu buatan (perangkat bantuan ventrikel kiri, LVAD) yang memompa sebagian dari curah jantung normal. Karena alat seperti itu biasanya menyebabkan komplikasi pada pasien, alat tersebut umumnya digunakan sebagai pengganti sementara sampai jantung alami dapat diperoleh untuk transplantasi. Di seluruh dunia sekitar 4.000 LVAD telah ditanamkan. Pasar untuk perangkat ini diperkirakan mencapai $12 miliar per tahun di Amerika Serikat.

Sejarah

Sejak akhir abad kesembilan belas, para ilmuwan telah mencoba mengembangkan alat mekanis yang dapat mengembalikan oksigen ke darah dan membuang karbon dioksida yang berlebihan, serta pompa untuk menggantikan kerja jantung sementara. Butuh waktu hampir 100 tahun sebelum mesin jantung-paru pertama yang berhasil digunakan pada manusia oleh John H. Gibbon Jr. pada tahun 1953. Empat tahun kemudian jantung buatan pertama (terbuat dari plastik) di dunia barat ditanamkan di dalam seekor anjing . Institut Jantung Nasional A. Jantung buatan pneumatik. B. Jantung buatan gyro sentrifugal. mendirikan program jantung buatan pada tahun 1964, yang mengarah ke jantung buatan total pertama untuk penggunaan manusia yang ditanamkan pada tahun 1969.

Penekanan bergeser ke sistem bantuan ventrikel kiri dan bahan yang kompatibel dengan darah pada tahun 1970. Selama tahun yang sama, LVAD berhasil digunakan. Namun, pengembangan pompa darah terus berlanjut dan perangkat menjadi lebih kecil, lebih ringan, lebih dapat diterima, dan berhasil secara klinis. Sejumlah poliuretan dan pompa plastik dengan umur panjang juga dikembangkan. Selama tahun 1980-an, Food and Drug Administration (FDA) memberlakukan aturan yang lebih ketat pada Undang-Undang Standar Perangkat Medis, yang menyebabkan biaya pengembangan yang lebih tinggi. Banyak kelompok penelitian harus keluar, dengan hanya beberapa yang tersisa hari ini.

Mungkin ilmuwan paling terkenal adalah Dr. Robert Jarvik, yang menemukan jantung buatan yang disebut Jarvik-7. Perangkat ini, terbuat dari aluminium dan plastik, menggantikan dua ruang bawah jantung alami dan menggunakan dua diafragma karet untuk aksi pemompaan. Kompresor eksternal seukuran lemari es menjaga detak jantung buatan. Barney Clark adalah pasien pertama yang menerima jantung ini. Dia selamat 112 hari sebelum komplikasi fisik yang disebabkan oleh implan merenggut nyawanya. Pada tahun 1986, William Schroeder menjadi penerima Jarvik-7 kedua, bertahan selama sekitar 20 bulan.

Komunitas medis menyadari bahwa jantung yang benar-benar dapat ditanamkan dapat menghindari masalah mobilitas dan infeksi yang disebabkan oleh Jarvik-7. Pada tahun 1988, National Institutes of Health mulai mendanai pengembangan jantung tersebut dan mendukung program tersebut pada tahun 1991 dengan total $6 juta. Tiga tahun kemudian, LVAD implan listrik dan bertenaga baterai tersedia. Pada tahun 1999, Charlie Chappis menjadi pasien pertama yang dikeluarkan dari rumah sakit dengan alat semacam itu. Jantung buatan lain dari berbagai desain saat ini sedang diuji.

Bahan Baku

Jantung buatan atau LVAD terbuat dari logam, plastik, keramik, dan bagian hewan. Paduan titanium-aluminium-vanadium digunakan untuk pompa dan bagian logam lainnya karena biokompatibel dan memiliki sifat struktural yang sesuai. Bagian titanium dicetak pada prosesor titanium khusus. Kecuali untuk permukaan yang bersentuhan dengan darah, titanium dikerjakan dengan hasil akhir tertentu. Permukaan yang bersentuhan dengan darah menerima lapisan khusus mikrosfer titanium yang mengikat secara permanen ke permukaan. Dengan lapisan ini, sel-sel darah menempel ke permukaan, menciptakan lapisan yang hidup.

Diafragma yang bersentuhan dengan darah di dalam pompa terbuat dari jenis poliuretan khusus yang juga bertekstur untuk memberikan kepatuhan sel darah. Dua cangkok tubular terbuat dari poliester (yang digunakan untuk memasang perangkat ke aorta) dan katupnya adalah katup jantung yang dikeluarkan dari babi. Bagian lain yang membentuk motor terbuat dari titanium atau logam dan keramik lainnya.

Desain

Ada beberapa masalah kritis saat merancang LVAD. Dinamika cairan dari aliran darah harus dipahami sehingga cukup darah yang dipompa dan tidak ada gumpalan darah yang tercipta. Bahan harus dipilih yang biokompatibel; jika tidak, pompa bisa gagal. Efisiensi motor harus dioptimalkan agar panas yang dihasilkan minimal. Karena kemungkinan penolakan, total volume dan luas permukaan seluruh perangkat harus dijaga sekecil mungkin. Sebuah LVAD khas memiliki berat sekitar 2,4 lb (1,200 gram) dan memiliki volume 1,4 liter (660 ml).

Atau. Robert Jarvik.

Robert Jarvik lahir pada 11 Mei 1946, di Midland, Michigan, dan dibesarkan di Stamford, Connecticut. Dia masuk Universitas Syracuse New York pada tahun 1964, belajar arsitektur dan gambar mekanik. Setelah ayahnya menderita penyakit jantung, Jarvik beralih ke pra-pengobatan. Dia lulus pada tahun 1968 dengan gelar sarjana seni di bidang zoologi, tetapi ditolak oleh sekolah kedokteran di Amerika Serikat. Dia masuk Universitas Bologna di Italia, tetapi keluar pada tahun 1971 ke Universitas New York, mendapatkan gelar master seni dalam biomekanik okupasi.

Jarvik melamar pekerjaan di Universitas Utah. Direktur Institut Teknik Biomedis dan Divisi Organ Buatan, Willem Kolff, telah mengembangkan jantung buatan sejak pertengahan 1950-an. Jarvik mulai sebagai asisten labnya, mendapatkan gelar kedokterannya pada tahun 1976.

Pada tanggal 2 Desember 1982, dokter mentransplantasikan jantung buatan pertama ke manusia. Perangkat plastik dan aluminium ini, Jarvik-7, ditanamkan ke Barney Clark, yang bertahan selama 112 hari setelah operasi. Beberapa pasien lain menerima hati Jarvik-7 tetapi tidak ada yang hidup lebih dari 620 hari. Manfaat utama adalah bahwa tidak akan ada menunggu hati manusia dan tidak ada kemungkinan penolakan. Perangkap yang jelas adalah pasien selamanya terhubung ke mesin udara terkompresi melalui tabung.

Jarvik-7 akhirnya digunakan sebagai tindakan sementara untuk pasien yang menunggu jantung alami dan memberikan harapan bahwa tidak akan ada menunggu untuk transplantasi. Pada tahun 1998 Jarvik terus bekerja pada perangkat mandiri untuk ditanamkan ke dalam hati seseorang yang sakit agar berfungsi dengan benar.

Proses Pembuatan

• 1 Sebagian besar komponen dibuat dengan spesifikasi khusus oleh produsen pihak ketiga, termasuk toko mesin dan produsen papan sirkuit cetak. Katup babi dijahit di dalam cangkok dengan jahitan di sebuah perusahaan perangkat medis yang berspesialisasi dalam katup jantung.

  Setelah semua komponen diperoleh, sistem LVAD dirakit dan diuji, untuk memastikan bahwa setiap perangkat memenuhi semua spesifikasi. Setelah diuji, LVAD dapat disterilkan dan dikemas untuk pengiriman.

Membentuk bagian poliuretan

• 2 Beberapa produsen jantung buatan membuat suku cadang poliuretan mereka sendiri. Satu proses menggunakan larutan cair berpemilik yang dituangkan pada mandrel keramik lapis demi lapis. Setiap lapisan dipanaskan dan dikeringkan sampai ketebalan yang diinginkan tercapai. Bagian tersebut kemudian dikeluarkan dari mandrel dan diperiksa. Jika tidak, pabrikan pihak ketiga menggunakan proses pencetakan injeksi atau pencetakan vakum yang dikombinasikan dengan pengelasan frekuensi radio.

Majelis

• 3 Setiap jantung buatan membutuhkan waktu beberapa hari untuk disatukan dan diuji. Proses perakitan dilakukan di ruangan yang bersih untuk menghindari kontaminasi. Setiap jantung buatan terdiri dari hingga 50 komponen yang disatukan menggunakan perekat khusus. Perekat ini membutuhkan pengawetan pada suhu tinggi. Beberapa operasi perakitan terjadi secara paralel, termasuk perakitan rumah motor dan komponen, perakitan tabung perkutan dan pemasangan pelat pendorong ke diafragma poliuretan. Subsistem ini diperiksa secara individual, kemudian perakitan akhir dari sistem yang lengkap terjadi. Cangkok dirakit secara terpisah dan dipasang selama operasi.

Menguji

• 4 Setelah perakitan selesai, setiap perangkat diuji menggunakan peralatan khusus yang mensimulasikan tekanan di dalam tubuh. Semua komponen elektronik diuji dengan peralatan uji elektronik untuk memastikan fungsi yang tepat dari semua sirkuit.

Sterilisasi/pengemasan

• 5 Setelah jantung buatan diuji dan lolos, dikirim ke layanan luar untuk sterilisasi. Setiap perangkat disegel dalam baki plastik dan dikembalikan ke pabrik pembuat jantung. Kemudian dikemas dalam koper khusus untuk melindunginya dari kontaminasi dan mencegah kerusakan.

Kontrol Kualitas

Sebagian besar komponen telah melewati pemeriksaan sebelum tiba di pabrik jantung. Beberapa komponen masih diperiksa secara dimensional karena memerlukan toleransi yang ketat—pada urutan sepersejuta inci, yang memerlukan alat ukur khusus. Untuk memenuhi peraturan FDA, setiap komponen (termasuk perekat) yang digunakan dalam proses dikendalikan oleh lot dan nomor seri sehingga masalah pelacakan dapat terjadi.

Produk Sampingan/Limbah

Memo titanium dipulihkan dan didaur ulang setelah dilebur kembali dan dicetak ulang. Jika tidak, sedikit limbah yang dihasilkan karena sebagian besar komponen telah lulus pemeriksaan sebelum meninggalkan berbagai produsen. Bagian yang rusak lainnya dibuang. Setelah perangkat digunakan oleh pasien, perangkat tersebut dikirim kembali ke produsen jantung untuk dianalisis guna meningkatkan desain.

Masa Depan

Dalam dekade berikutnya, sejumlah perangkat baru akan datang di pasar. Peneliti Pennsylvania State University sedang mengembangkan jantung elektromekanis yang ditenagai oleh energi frekuensi radio yang ditransmisikan melalui kulit. Sebuah motor menggerakkan pelat dorong, yang bergantian menekan kantong plastik berisi darah untuk mensimulasikan pemompaan. Pasien membawa baterai di siang hari dan tidur dengan perangkat dicolokkan ke stopkontak. Jantung buatan ini akan diuji pada manusia pada tahun 2001.

Beberapa kelompok penelitian sedang mengembangkan pompa yang mengedarkan darah secara terus menerus, daripada menggunakan tindakan pemompaan, karena pompa ini lebih kecil dan lebih efisien. Di Australia, Micromedical Industries Limited sedang mengembangkan pompa darah rotari aliran kontinu, yang diharapkan akan ditanamkan pada manusia pada tahun 2001. Departemen kardiologi Universitas Negeri Ohio sedang mengembangkan pompa plastik seukuran keping hoki yang dapat mengatur sendiri. Pompa ini ditanamkan pada pasien selama beberapa minggu sampai jantung mereka pulih.

Thermo Cardiosystems, Inc. juga sedang mengerjakan LVAD dengan pompa rotari aliran kontinu), diharapkan akan ditanamkan sekitar tahun 2000, dan LVAD dengan pompa sentrifugal aliran kontinu. Yang terakhir ini masih dalam tahap pengembangan awal, tetapi direncanakan menjadi pompa tanpa bantalan pertama di dunia, yang berarti tidak ada bagian yang aus. Hal ini dicapai dengan secara magnetis menangguhkan rotor pompa. Kedua perangkat ini akan tersedia dengan transfer energi transkutan, yang berarti bahwa perangkat tersebut akan dapat ditanamkan sepenuhnya.

Dengan semakin sedikitnya donor jantung yang tersedia, yang lain juga mengembangkan jantung buatan yang merupakan pengganti permanen. Penggantian ini dapat berupa alat bantu ventrikel kiri atau jantung buatan total, tergantung pada kondisi fisik pasien. LVAD sedang dikembangkan oleh penemu Robert Jarvik dan ahli bedah jantung terkenal Michael DeBakey. Total jantung buatan sedang dikembangkan bersama oleh Texas Heart Institute dan Abiomed, Inc. di Massachusetts. Di Jepang, para peneliti sedang mengembangkan jantung buatan total berdasarkan sistem katup bola silikon dan pompa sentrifugal dengan sistem bantalan yang terbuat dari komponen keramik alumina dan polietilen.

Alternatif untuk jantung buatan dan pompa bantuan jantung juga sedang dikembangkan. Misalnya, penjepit khusus telah ditemukan yang mengubah bentuk jantung yang sakit, yang diharapkan dapat meningkatkan efisiensi pemompaan hingga 30%. Perangkat semacam itu membutuhkan operasi invasif minimal untuk ditanamkan.