Jantung Buatan: Teknologi, Sejarah, dan Peluang Masa Depan
Latar Belakang
Jantung yang sehat beroperasi sebagai organ dengan dua pompa, dengan dua atrium dan dua ventrikel. Atrium kanan menerima darah tidak bereksken dari tubuh dan berkontraksi ke ventrikel kanan, yang kemudian mendorongnya ke paru-paru. Atrium kiri menerima darah bereksken dari paru-paru dan mendorongnya ke ventrikel kiri, kamar yang mendistribusikan darah ke seluruh tubuh. Setiap siklus jantung dimulai dengan kontraksi atrium, diikuti oleh kontraksi ventrikel, memastikan sirkulasi darah yang efisien.
Gagal jantung kongestif (CHF) adalah kehilangan progresif kapasitas pompa jantung dan tetap menjadi penyebab utama kematian di seluruh dunia. American Heart Association melaporkan bahwa sekitar lima juta Amerika menderita CHF, dan lebih dari 400.000 kasus baru didiagnosis setiap tahun. Sekitar setengah dari pasien ini meninggal dalam lima tahun setelah diagnosis. Pada tahun 1998, sistem kesehatan AS menghabiskan sekitar $95 miliar untuk merawat penyakit jantung.
Meskipun terapi farmakologis dan intervensi bedah dapat mengurangi gejala, transplantasi jantung tetap menjadi obat definitif untuk gagal jantung tahap akhir. Pada tahun 1998, sekitar 7.700 pasien terdaftar untuk transplantasi, namun hanya 30 % menerima organ. Kehilangan ini memicu pengembangan jantung buatan dan alat bantu ventrikel (VAD) sebagai opsi bridge-to-transplant atau destination therapy.
Jantung buatan ideal harus menyediakan sirkulasi darah dan oksigenasi yang terus-menerus dan andal untuk jangka waktu panjang—biasanya minimal 100.000 detak per 24 jam—tanpa pelumas atau pemeliharaan rutin, sambil menyesuaikan laju pompanya dengan tingkat aktivitas pasien dan meminimalkan risiko infeksi atau trombosis.
Dua kategori utama alat pendukung sirkulasi adalah mesin jantung-paru dan jantung mekanis. Mesin jantung-paru, yang terdiri dari oksigenator dan pompa, digunakan selama prosedur bedah jantung terbuka dan terbatas pada beberapa jam penggunaan karena hemolisis darah seiring waktu. Jantung mekanis, di sisi lain, mengurangi beban kerja jantung asli yang gagal dan dapat berfungsi sebagai pendukung sementara atau permanen. LVAD, misalnya, membantu ventrikel kiri dengan menyediakan sebagian dari output jantung normal. Saat ini, sekitar 4.000 LVAD ditanam di seluruh dunia, dan pasar AS untuk perangkat ini diperkirakan sebesar $12 miliar per tahun.
Sejarah
Sejak akhir abad kesembilan belas, ilmuwan telah mengejar solusi mekanis untuk mengganti atau melengkapi fungsi jantung. Membutuhkan hampir satu abad sebelum mesin jantung-paru manusia pertama, yang dikembangkan oleh John H. Gibbon Jr., berhasil digunakan pada tahun 1953. Empat tahun kemudian, jantung buatan plastik ditanam pada model anjing.
National Heart Institute (sekarang National Heart, Lung, and Blood Institute) memformaliskan program jantung buatan pada tahun 1964, yang berakhir dengan penanaman jantung buatan total pertama pada manusia pada tahun 1969.
Pada tahun 1970-an, fokus beralih ke alat bantu ventrikel kiri (LVAD) dan penggunaan bahan biokompatibel. Penanaman LVAD yang berhasil pertama kali terjadi pada tahun 1970, dan dekade berikutnya melihat perkenalan pompa poliuretana dan plastik dengan umur yang lebih lama. Peningkatan regulasi oleh FDA pada tahun 1980 meningkatkan biaya pengembangan, yang mengarah pada konsolidasi dalam bidang ini.
Dr. Robert Jarvik, pionir dalam bidang ini, memperkenalkan jantung buatan Jarvik-7 pada tahun 1983. Perangkat aluminium-plastik ini, yang didorong oleh kompresor eksternal besar, ditanam pada Barney Clark pada tahun 1985. Clark bertahan 112 hari, dan penerima berikutnya hidup hingga 20 bulan, menunjukkan kelayakan pendukung yang dapat ditanam.
Keinginan untuk perangkat yang sepenuhnya dapat ditanam dan didayakan baterai menyebabkan pendanaan NIH pada tahun 1988 dan pengembangan LVAD listrik pada tahun 1991. Pada tahun 1999, Charlie Chappis menjadi pasien pertama yang pulang ke rumah dengan LVAD yang ditanam, menandai tonggak menuju terapi jangka panjang.
Bahan Baku
Jantung buatan dan LVAD dibangun dari kombinasi logam, polimer, keramik, dan komponen biologis. Legasi logam utama yang digunakan adalah titanium-aluminium-vanadium, dipilih karena biokompatibilitas dan kekuatan mekanisnya. Bagian titanium diproses secara presisi dan menerima lapisan mikrosfera yang mendorong endotelisasi, menciptakan lapisan darah yang alami dan kompatibel.
Diafragma pompa dibuat dari poliuretana bertekstur yang mendorong penempelan sel darah, mengurangi hemolisis. Graft polyester melekatkan perangkat ke aorta, sementara katup jantung babi berfungsi sebagai pengganti biologis untuk katup asli. Komponen motor biasanya terbuat dari titanium atau keramik kekuatan tinggi.
Desain
Merancang LVAD memerlukan perhatian yang teliti terhadap dinamis fluida untuk memastikan aliran yang memadai tanpa trombosis, pemilihan bahan yang benar-benar biokompatibel, dan optimasi efisiensi motor untuk membatasi generasi panas. Dimensi perangkat dijaga minimal untuk mengurangi risiko penolakan imun; LVAD tipikal beratnya sekitar 1,2 kg (2,4 lb) dan menempati 660 ml (1,4 pint).
Robert Jarvik
Lahir pada 11 Mei 1946, di Midland, Michigan, Jarvik menuntut arsitektur dan gambar mekanis di Syracuse University sebelum beralih ke pre-medicine setelah penyakit jantung ayahnya. Ia mendapatkan B.A. dalam zoologi pada tahun 1968, kemudian mendapatkan M.A. dalam biomekanik okupasional dari New York University pada tahun 1971. Setelah menerima M.D. pada tahun 1976, Jarvik bergabung dengan Institute for Biomedical Engineering di University of Utah, tempat ia bekerja sama dengan Willem Kolff pada penelitian jantung buatan.
Proses Manufaktur
Komponen diproduksi khusus oleh pemasok pihak ketiga khusus, termasuk bengkel mesin presisi dan produsen papan sirkuit cetak. Katup babi dirajut ke dalam graft polyester di fasilitas yang khusus untuk pembuatan katup jantung.
Setelah perolehan komponen, perakitan LVAD melalui pengujian yang ketat untuk memverifikasi kepatuhan dengan semua spesifikasi. Setelah disetujui, perangkat sterilisasi dan dikemas untuk distribusi.
Membentuk Bagian Poliuretana
Beberapa produsen memproduksi diafragma poliuretana dalam rumah menggunakan larutan cair khusus yang diterapkan pada mandrel keramik dalam lapisan berturut-turut. Setiap lapisan dikeringkan dan dioven hingga ketebalan target tercapai. Bagian yang selesai kemudian dikeluarkan dari mandrel dan diperiksa. Alternatifnya, produsen pihak ketiga dapat menggunakan cetak injeksi atau vakum digabungkan dengan pengelasan RF.
Perakitan
Perakitan dilakukan di ruang bersih steril untuk mencegah kontaminasi. Hingga 50 komponen presisi dilekatkan dengan perekat yang dapat mengeras pada suhu tinggi. Sub-perakitan paralel—termasuk casing motor, tabung perkutan, dan pelat pusher diafragma—diselesaikan, diperiksa, dan akhirnya diintegrasikan ke dalam sistem lengkap. Graft dipasang secara terpisah pada tahap perakitan akhir.
Pengujian
Sterilisasi & Kemasan
Setelah pengujian berhasil, perangkat dipindahkan ke layanan sterilisasi eksternal. Setiap unit dikantong dalam tray plastik steril dan kemudian ditempatkan dalam kotak pelindung khusus untuk pengiriman, melindunginya dari kontaminasi dan kerusakan.
Kontrol Kualitas
Sebagian besar komponen melalui pemeriksaan sebelum pengiriman ke produsen, tetapi pemeriksaan dimensi dengan toleransi dalam separuh jutaan inci dilakukan pada bagian kritis. Untuk memenuhi peraturan FDA, setiap komponen—termasuk perekat—dapat ditelusuri melalui nomor lot dan serial, memungkinkan penelusuran lengkap.
Hasil Samping / Limbah
Sisa titanium direklaim, dilelehkan ulang, dan dicetak ulang, meminimalkan limbah logam. Karena sebagian besar bagian lulus pemeriksaan awal, hanya sejumlah kecil komponen cacat yang dibuang. Perangkat pasca-penanaman dikembalikan ke produsen untuk analisis, memberikan data yang mendorong perbaikan desain berulang.
Masa Depan
Selama dekade berikutnya, gelombang inovasi siap untuk mengubah pendukung sirkulasi mekanis. Peneliti di Pennsylvania State University mengembangkan jantung elektromekanis yang menerima daya transkutan melalui energi radio-frekuensi, memungkinkan pasien untuk membawa baterai selama hari dan mengisi ulang pada malam hari. Prototip dijadwalkan untuk uji klinis manusia pada tahun 2001.
Grup lain menjelajahi pompa aliran kontinu, yang menghilangkan kebutuhan akan geser pompa mekanis dan mengurangi ukuran serta konsumsi energi perangkat. Di Australia, Micromedical Industries Limited mengembangkan pompa rotary aliran kontinu yang diharapkan untuk penanaman manusia pada tahun 2001. Ohio State University sedang mengerjakan pompa plastik yang dapat menyesuaikan diri sendiri berukuran cak hockey, yang dirancang untuk pendukung jangka pendek hingga fungsi jantung asli pulih.
Thermo Cardiosystems, Inc. mengembangkan LVAD tanpa bantalan dengan roter yang terpanggang magnet, menjanjikan daya tahan yang tak terbatas. Varian sentrifugal dan rotary aliran kontinu sedang dirancang untuk transfer energi transkutan, menjadikannya sepenuhnya dapat ditanam.
Dengan keterbatasan donor jantung, penggantian jantung buatan permanen semakin diminati. LVAD sedang disempurnakan oleh penemu seperti Robert Jarvik dan bedah seperti Michael DeBakey. Jantung buatan total adalah upaya bersama antara Texas Heart Institute dan Abiomed, Inc. Di Jepang, tim penelitian menciptakan jantung total katup bola silicone yang didorong oleh pompa sentrifugal bantalan keramik.
Terapi alternatif, seperti klamp yang memodifikasi bentuk yang dapat meningkatkan efisiensi jantung asli hingga 30 %, juga sedang diteliti, menawarkan opsi yang tidak invasif bagi pasien dengan penyakit jantung struktural.
