Powyższe rozwiązanie było inspiracją dla naukowców już przeszło pół wieku temu (Pierwsze sztuczne serce), natomiast w Polsce od kilku lat realizowany jest narodowy Program Polskie Sztuczne Serce, mający na celu opracowanie rodziny protez serca, które spełniałyby określone wymagania, zarówno pod względem długości pracy jak i właściwości konstrukcyjnych. Liczne aplikacje kliniczne mechanicznego serce dowodzą dużej i rosnącej skuteczności wdrożonego systemu.

Pierwsze sztuczne serce

Prace nad sztucznym organem, które byłoby w stanie przepompować odpowiednią ilość krwi rozpoczął w 1957 roku Willem Kolff, lekarz holenderskiego pochodzenia, pracujący w Cleveland Clinic w USA. W miejsce serca psa wstawił on sterowaną pneumatycznie pompę wykonaną z polichlorku winylu. Zwierzę przeżyło 90 minut. Wieloletnia współpraca lekarza z jego studentem Robertem Jarvik?em oraz chirurgiem weterynaryjnym Donem Olsen?em zaowocowała ulepszeniem urządzenia. W 1977 roku proteza serca wykonana z aluminium i plastiku została opatentowana pod nazwą Jarvik-7, a kilka lat później naukowcy uzyskali pozwolenie na implantację pompy do organizmu człowieka. Wszczepiona wreszcie w 1982 roku i zaopatrzona w zewnętrzny mechanizm napędowy i układ zasilający, utrzymywała pacjenta przy życiu przez 112 dni. Kolejny model serca ? Jarvik 2000, wykonany ze stali i tytanu, to mierząca kilka centymetrów pompa wirowa zasilana niewielką baterią, połączoną z sercem przewodem wyprowadzanym na zewnątrz przez powłokę jamy brzusznej.
Do najistotniejszych problemów związanych ze stosowaniem powyższych urządzeń należało wysokie ryzyko wystąpienia zakrzepów spowodowane np. kontaktem materiału, z jakiego wykonana jest proteza z krwią pacjenta oraz zakażenia wynikające z konieczności zasilania sztucznego organu z źródeł zewnętrznych.

Program Polskie Sztuczne Serce

W Polsce na niewydolność serca choruje blisko milion osób. W przypadku, gdy nie ma szans na poprawę po tymczasowym odciążeniu serca poprzez zastosowanie pomp wspomagających oraz gdy serce pacjenta nie jest w stanie doczekać znalezienia dawcy, idealnym rozwiązaniem staje się pompa implantowana całkowicie wewnętrznie.
Polskie Sztuczne Serce to narodowy program, którego okres realizacji zaplanowano na lata 2007-2012, a więc obecnie wchodzi w etapy końcowe. Przez ten czas wspólne wysiłki naukowców z wielu instytutów naukowo-badawczych oraz ośrodków medycznych skierowane były na stworzenie nie tylko prototypu całkowicie wszczepialnej protezy, ale opracowanie całej rodziny protez, które znajdą zastosowanie w różnych stopniach niewydolności serca.
Podział zaprojektowanych urządzeń oparty na wymaganym przedziale czasowym pracy protezy, rodzaju niewydolności serca oraz dostosowanej strategii leczenia wygląda następująco:

• pozaustrojowa, pulsacyjna komora wspomagania serca, służąca do krótkoterminowego (kilka tygodni do kilku miesięcy) wspomagania serca stosowana w przypadku ostrej niewydolności serca
• częściowo wszczepialna, pulsacyjna komora wspomagania serca, bądź pompa wirowa docelowo mające mieć zastosowanie w przewlekłej niewydolności krążenia przez okres kilku miesięcy do kilku lat
• długookresowa całkowicie implantowalna proteza serca, pracująca przez nieograniczony czas, przeznaczona głownie dla pacjentów z kardiomiopatią, u których nie można przeprowadzić transplantacji serca

W przypadku dwóch pierwszych strategii, tymczasowe komory wspomagania serca to rozwiązanie stosowane w celu odciążenia naturalnego serca chorego, które w tych warunkach ma szanse na regenerację, bądź stanowiące etap poprzedzający transplantację, na którą chory może bezpiecznie poczekać. Zastąpienie serca protezą to ostateczność, gdyż w przypadku jakiejkolwiek awarii urządzenia szanse przeżycia są minimalne.
Aby zapewnić przepływ krwi w ciele pacjenta zbliżony do naturalnego projektowane protezy są urządzeniami pulsacyjnymi. Przy częściowym wspomaganiu serca, dopuszczalne jest również stosowanie pomp o przepływie ciągłym, gdyż samo serce pacjenta podtrzymuje pulsacyjny charakter przepływu. Takie miniaturowe pompy mogą być wszczepiane w bliskim sąsiedztwie serca chorego. Wirniki zawieszone w polu magnetycznym są zasilane i sterowane przez powłoki skórne pacjenta.
Zastosowanie zarówno w pełni implantowanego sztucznego serca jak i czasowych protez wymaga bezwzględnego spełnienia przez urządzenie kilku warunków. Przede wszystkim materiał, z jakiego jest wykonane musi być trwały i biokompatybilny.
Poliuretan który zastosowali Amerykanie w 2001 roku, wprowadzając do użytku pierwsze kompletne zasilane bezprzewodowo urządzenie - Abio-Cor produkowane przez firmę Abio-Med, okazał się na tyle trombogenny, że pacjenci musieli przyjmować leki zapobiegające powstawaniu zakrzepów, co i tak nie uchroniło ich przed śmiercią.
Osiągnięciem Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu jest wykorzystywany od kilkunastu lat w praktyce i wyróżniony wieloma nagrodami na wystawach krajowych i zagranicznych System Wspomagania Serca POLCAS. Składa się on między innymi z pozaustrojowej komory wspomagania serca (POLVAD-MEV), będącej pneumatyczną poliuretanową pompą zaopatrzoną w sterownik. Z kolei model implantowalnej protezy serca (POLVAD-IMPL) wykonany jest z tego samego polimeru dodatkowo pokrytego nanowarstwą azotku tytanu.
Prace w ramach Programu Polskie Sztuczne Serce pozwoliły na modernizację istniejących rozwiązań oraz stworzenie nowych, o lepszych właściwościach.

Wymagania dotyczące budowy i konstrukcji

W celu minimalizacji ryzyka wykrzepień opracowano metody wytwarzania biokompatybilnego materiału do produkcji protez, jak również sposoby modyfikacji ich powierzchni. Dla komór wspomagania serca o krótkim czasie działania są to biodegradowalne, atrombogenne powłoki hydrożelowe, a dla wszczepialnych protez - warstwy o wysokiej trwałości na bazie węgla diamentopodobnego, tytanu, azotku tytanu i dwutlenku tytanu. Sam proces nanoszenia może przebiegać w oparciu o różne technologie.
Sztuczne serce musi być połączone z układem naczyniowym pacjenta. W tym celu stosuje się poliestrowe protezy naczyniowe, które również wymagały modyfikacji w celu ich uszczelniania.
Kolejnym zadaniem dla inżynierów było zaprojektowanie układu dla bezprzewodowej transmisji energii i danych do protezy serca. Nowe sterowniki charakteryzują się większym bezpieczeństwem oraz mniejszą wagą i rozmiarami, co przekłada się na mobilność całego, kompletnego urządzenia, a więc większą wygodę pacjenta. Dzięki ulepszonemu systemowi zdalnego sterowania możliwy jest pomiar i nadzorowanie dużej liczby parametrów biologicznych w protezach w sposób ciągły, a przekroczenie pewnych zdefiniowanych wartości sygnalizowane jest alarmem.

Polskie sztuczne serce w praktyce klinicznej

W trakcie realizacji projektu u kilkudziesięciu pacjentów zastosowano system wspomagania serca POLCAS, przede wszystkim jako pomost przed transplantacją serca. Dzięki wprowadzanym modyfikacjom możliwe było między innymi wydłużenie okresu wspomagania serca, zakończone pozytywnym wynikiem ? przeszczepem lub regeneracją. Z kolei 4 chorym wszczepiono pompy Heart Ware (pompy wirowe III generacji), co przyczyniło się do poprawy ich stanu i rozszerzenia możliwości dalszego leczenia.
Odrębnym wyzwaniem jest opracowanie protez serca przeznaczonych dla dzieci. Taka pediatryczna komora wspomagania serca musi różnić się między innymi wymiarami, grubością kaniul łączących pompę z układem krwionośnym oraz możliwością dostosowania wydajności pompy wspomagającej rosnące serce do aktualnych potrzeb. Implantowane protezy serca jako alternatywa dla przeszczepu mają umożliwić choremu nie tylko przeżycie, ale prowadzenia normalnego, aktywnego życia.