Forscher der Penn State feiern erfolgreiche Tests der Herzpumpe

Jul 22, 2023

Bilder der perkutanen Herzpumpe. Bildnachweis: Penn State. Creative Commons

2. August 2013

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Ein Team von Forschern der Penn State University am Applied Research Laboratory (ARL) und der Abteilung für Materialwissenschaften hat beobachtet, wie das von ihnen zwischen 2005 und 2011 entwickelte Left Ventricular Assist Device (LVAD) im März in den ersten erfolgreichen menschlichen Test überging .

Thoratec Corp., ein weltweit führender Anbieter mechanischer Kreislaufunterstützungstherapien bei Herzversagen, hat die Technologie 2010 von der Penn State lizenziert. LVADs sind so konzipiert, dass sie teilweise die Pumpfunktion eines versagenden Herzens übernehmen. In weniger als drei Jahren wurden die vorläufigen Designkomponenten, Testeinrichtungen und Fertigungstechniken, die am Penn State zum Bau eines Prototypgeräts entwickelt wurden, von Thoratec so weiterentwickelt, dass das LVAD am Menschen getestet werden konnte.

„Unser Penn State-Team freut sich, dass unsere Forschung nun auf dem besten Weg ist, Leben zu retten“, sagte Rob Kunz, ARL-Forscher und Hauptforscher des Projekts. „Die Designziele für die jetzt als HeartMate PHP (perkutane Herzpumpe) bezeichnete Pumpe waren gewaltig: Entwicklung einer Blutpumpe am Ende eines langen, dünnen Katheters, der klein genug ist, um durch einen Einschnitt im Oberschenkel eines Patienten eingeführt und durch den Abstieg nach oben geführt zu werden Aorta in den linken Ventrikel transportiert werden. Das PHP muss über eine ausreichende Blutpumpfähigkeit verfügen, um einen erwachsenen Mann mehrere Tage lang zu unterstützen (ungefähr 4,5 Liter pro Minute bei einem Druck von 60 mmHg), ohne dabei Schäden am Herzen oder am Blut zu verursachen selbst."

Bei vielen im Handel erhältlichen Langzeit-LVADs muss die Brustwand chirurgisch geöffnet werden, um das Gerät einzuführen, ein komplizierter und traumatischer Eingriff. Die Designziele für das kurzfristige PHP-Gerät waren durch den Wunsch nach einer schnell einsetzbaren, minimalinvasiven Akutunterstützungstechnologie motiviert. Das PHP ist so konzipiert, dass es innerhalb von Minuten eingesetzt, eingesetzt und in Betrieb genommen werden kann, nachdem ein Patient einen Herzinfarkt oder eine andere akute Herzerkrankung erlitten hat, was möglicherweise jedes Jahr das Leben von Zehntausenden Menschen in den Vereinigten Staaten verlängert.

Mit diesen Anforderungen wandte sich die Industrie an die Penn State University, da die Universität über starke Fähigkeiten in den Bereichen Hydrodynamik (Design, Tests und Modellierung) und Materialwissenschaften verfügt, beides wichtige Technologien für jede Blutpumpenanwendung. „Im Wesentlichen bekamen wir die Anforderungen und ein leeres Blatt Papier“, sagte Kunz. „Es dauerte nicht lange, bis wir das Grundkonzept entwickelt hatten: ein sehr kleines, sich sehr schnell drehendes, zusammenklappbares Laufrad, untergebracht in einer zusammenklappbaren Kanüle.“

Die Entwicklung des Konzepts für diese winzige, aber effiziente Turbomaschine erforderte vom Penn State-Team die Bewältigung mehrerer Herausforderungen. Ein wichtiger Aspekt hängt mit der Beschaffenheit der Flüssigkeit zusammen. Der LVAD arbeitet mit einem Laufrad, das Blut pumpt und sich dabei mit etwa 19.000 U/min dreht. Aber man kann kein Blut in einen Mixer geben – und sei es noch so klein – und erwarten, dass es die physikalischen und biologischen Eigenschaften beibehält, die es ihm ermöglichen, Sauerstoff zu transportieren. Stattdessen mussten die Laufradschaufeln so konstruiert sein, dass sie die roten Blutkörperchen nur minimal schädigen.

Eine weitere große Herausforderung bestand darin, dass das Material, aus dem die LVAD-Klingen bestehen, flexibel genug sein musste, um in einem 4-mm-Katheter komprimiert zu werden. Dieselbe Elastizität führt dazu, dass sich die Rotorblätter unter der Flüssigkeitsbelastung verbiegen, wenn sie sich drehen. Daher mussten die Rotorblätter so konstruiert sein, dass sie die Durchbiegung ausgleichen und gleichzeitig ihre gewünschte hydrodynamische Leistung beibehalten. Drittens musste die Kanüle, in der sich das Flügelrad dreht und die den Blutfluss durch die Pumpe leitet, ebenfalls zusammenklappbar sein – im Wesentlichen ein abgedeckter Stent mit ausreichender Integrität, um das Pumpen zu unterstützen, und gleichzeitig flexibel genug, um sich vollständig in einen 4-mm-Katheter zusammenfalten zu lassen .

Kunz sagte: „Dies war eine wirklich multidisziplinäre Design- und Entwicklungsarbeit, an der Experten aus den Bereichen Materialwissenschaft, experimentelle Strömungsmechanik, computergestützte Strömungsmechanik, technisches Design, Lagertechnologie, Rapid Prototyping und Steuerungen sowie Maschinisten und Integrationstesttechniker beteiligt waren. Wir hatte auch die spannende Gelegenheit, sich mit mehreren Technologien zu befassen, die weit über unsere Kernkompetenzen hinausgehen, darunter die Physiologie des Kreislaufsystems, die Mechanik/Biochemie von Blutzellen, Tierversuche und Materialien, die für die Verwendung im Körper „zugelassen“ sind. Auch trotz seines „Designs und Deliver‘ Focus unterstützte das Projekt eine Doktorarbeit in Maschinenbau an der Penn State University zum Thema Modellierung von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen.“

„Wo ist das Gerät jetzt und wohin geht es?“ Kunz fuhr fort: „Vier PHP-bezogene Patente wurden mit Mitgliedern unseres Teams als Miterfindern erteilt. Das Technologiemanagementbüro der Penn State hat erfolgreich Lizenzvereinbarungen mit Thoratec ausgehandelt, sodass der erfolgreiche Test am Menschen zu den ersten Lizenzeinnahmen der Penn State führte Gerät."

Thoratec ist ein großartiger Übergangspartner für diese Technologie, da das Unternehmen eines der wenigen Unternehmen auf der Welt ist, das über das Fachwissen und die Ressourcen verfügt, um Blutpumpengeräte über die Herstellungsentwicklung und klinische Studien bis hin zur Kommerzialisierung zu reifen. Thoratec beabsichtigt, klinische Studien zum Einsatz des HeartMate PHP fortzusetzen, um Patienten zu unterstützen, die sich perkutanen Eingriffen mit hohem Risiko unterziehen, sowie Patienten mit kardiogenem Schock, einer Bevölkerungsgruppe mit anhaltend hohen Sterblichkeitsraten. Das Unternehmen geht davon aus, im zweiten Halbjahr 2013 eine europäische Studie zu starten, gefolgt von einer klinischen Studie in den USA Anfang 2014.

Mitglieder des Penn State Heart Assist Pump Development Teams sind von links nach rechts Steve Hambric, Jim Runt, Rick Medvitz, Greg Dillon, Dave Boger, Eric Meyer, Rob Kunz, Adam Roslund, Steve Struble, Rob Campbell, Dave Dreese, Mark McBride, Rusty Boone, Jeremy Konkoski und Justin Walsh. Es fehlen Tom Mallison, Dan Metrey und Rick Weyer. Bildnachweis: Penn State. Creative Commons

Rob Kunz

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