Атомно сърце

Публикуваният през 1978 г. Фантастичен роман „Сърцебиене“на Юджийн Донг разказва за съживяването на едно изкуствено сърце, което работи на радиоактивен плутоний. Експериментът е успешен, опитите за имплантиране продължават. Първият пациент обаче е отвлечен от терорист, който заплашва да разпръсне във въздуха плутоний от сърцето на похитения, като по този начин погуби хиляди души.

От 1967 до 1977 в САЩ са се провели две изследователски програми за създаване на напълно автономно механично сърце с атомен източник на енергия. Учените и досега твърдят, че от технологична гледна точка проектът е бил напълно осъществим, но политическите и обществени разногласия са попречели. Романът „Сърцебиене“ има своята роля в тези процеси.

Правителството на САЩ е поръчало разработката на изкуствен орган на Националния институт на сърцето и на Агенцията за атомна енергетика. Идеята е била да се направи общ проект, но това не се е случило. От Националният институт на сърцето са планирали да създадат атомно сърце на два етапа: първо да изработят механична помпа без източник на захранване, а после с атомен източник на енергия. От Агенцията за атомна енергетика са искали веднага да изработят орган с плутоний. Разногласията между двете организации били от политически характер. Институтът действал в интересите на президента Линдън Джонсън, който обещал на Америка създаването на функционално изкуствено сърце. Те смятали, че е можело да получат независимост от правителството на по-късен етап. В агенцията не били съгласни с този подход.

снимка: lenta.ru

През 1971 г. агенцията получила договор за разработване на изкуствено сърце от компаниите Westinghouse Electric и Philips. Първата осъществявала общото ръководство на проекта и работила върху създаването на източника на енергия, а втората се занимавала със силовия агрегат. Като основа избрали двигателя на Стърлинг. Това решение било оправдано с високия КПД, подходящите размери и ниските енергийни загуби на двигателя. Прототипът на изкуственото сърце се състоял от две подсистеми: топлинен конвертор и помпа. Топлинният преобразувател се захранвал от източник, който представлявал термогенератор с 60 грама плутоний-238. При разпада на плутония се отделя топлина, нагряваща газа, който се разширява и изтласква буталото на помпата, която пък задвижва кръвта през сърцето.

Разпада на плутония и продуктите от реакцията водят до образуването на алфа частици (хелийни ядра). За защита от радиацията и излишната топлина източникът на енергия се съхранявал в трислойна метална обвивка от платина, родий и тантал. Вътрешните стени на изкуственото сърце съдържали каучукова настилка с текстура от полиефирни влакна. Това позволява да бъде занижена съсирваемостта на кръвта и рискът от емболия или инсулт. За източник на радиоизотопи компанията Philips е разглеждала и прометий-147 и тулий-177, но е избрала плутоний-238 заради достъпността му, по-дългия период на полуразпад (87,7 години), ниската скорост на емисиите и високата мощност (газовата машина на Philips развивала 33 вата).

Westinghouse Electric и Philips привлекли Уили Колф - изобретателя на изкуствения бъбрек. С негова помощ били създадени помпи от биоматериали и гъвкав задвижващ вал, който свързва помпата с топлинния преобразувател. Помпата се състояла от две камери, които при свиване на диафрагмите изтласкват кръвта по посока на изхвърлящите се пластини. За целта  Philips понижили честотността на двигателя на Стърлинг от 1,8 хиляди до 120 оборота в минута.

Идеята е била механичната помпа да бъде имплантирана цяла, на мястото на бoлния орган, а източникът на захранването да бъде поставен в коремната кухина. През 1972 г. агенцията по атомна енергия и компанията Westinghouse Electric все още не успявали да създадат достатъчно компактен топлинен преобразувател и механична помпа. Все пак постигнатите успехи били въодушевяващи и се планирало през 1974 г. да бъдат направени първите изпитания върху животни. Конкуренцията от Националния институт на сърцето обаче ги изпреварила

През февруари 1972 г. сърдечният хирург Джон Норман присадил елементи от механично сърце на болно от сърдечна недостатъчност теленце с идеята временно да поддържа жизнените му функции. Новината получила широк отзвук в САЩ. От 1972 до 1974 г. Норман и колегите му извършили експерименти с 15 телета. Животните оцелявали по няколко часа, а не с дни, както било планирано и умирали от загуба на кръв (заради разкъсвания в сърдечната област) или повреди на вътрешните органи. По-нататък Норман продължил експериментите си с изкуствено сърце, но се отказал от радиоактивните изотопи за източник на енергия.

снимка: lenta.ru

Изкуственото сърце на Норман, също както това на Westinghouse Electric, се състояло от две части: топлинен преобразувател и механична помпа. Помпата, била направена от пластмаса, покрита със структуриран силикон и била свързана с горната част на лявата камера. Отговаряла за постъпването на кръвта в низходящата гръдна аорта. Трикилограмово устройство подсигурявало работата на помпата, което се състояло от 0,7-килограмов двигател, захранван от 120-грамов източник с плутоний-238. Цялото устройство е трябвало да бъде разположено в коремната кухина на животното. Двигателят с работна температура 480 градуса по Целзий преобразувал енергията от радиоактивния разпад в хидравлична мощност (52 вата).

За разлика от двигателя на Стърлинг, в който работното тяло (въздух) никога не променя своята агрегатна фаза (остава в газообразно състояние), при двигателя на компанията Thermo Electron Engineering всеки цикъл от работата (свиването и разширяването) е съпровождан от изпаряване и кондензация на работното тяло. В същността си този агрегат представлявал обикновен парен двигател. Въпреки че конструкцията имала доста големи размери, поддръжниците ѝ твърдели, че липсата на каквито и да е клапани и малкото подвижни части осигуряват висока надеждност.

Отчетът, публикуван от Норман и представен пред Конгреса, се отличавал, както отбелязват експерти, с повърхностност и преувеличение на получените резултати. Интересът към тази разработка бил допълнително разпалван от медиите, които редовно публикували материали за хора, починали от сърдечна недостатъчност, в това число заради дефектни сърдечни стимулатори и други медицински устройства. Повечето учени смятат, че проектът на Агенцията за атомна енергия (който не достигнал експерименти с животни) е бил наистина иновативен. Програмата на Националния институт на сърцето се основавала на примитивни технологии, а популярността ѝ се обяснява с успешната рекламна кампания.

Основните затруднения при използването на плутоний в тези системи се обясняват с предразсъдъците на хората и с високата цена на технологиите. В края на 70-те сърдечните стимулатори започнали да използват евтини литиеви акумулатори, така че необходимостта от радиоизотопи изчезнала. Колф и колегите му настоявали да се проведат и експерименти с хора. Съперниците на идеята твърдели, че изкуственото сърце е твърде сложно и пълно с грешки. В средата на 70-те под натиска на политиците и обществото Агенцията за атомна енергетика прекратила работата си върху атомното сърце. През 1977 г. от Националния институт на сърцето също се отказали. Колф се върнал към работата си върху старото пневматично изкуствено сърце и постигнал голям успех в тази посока. 

Създадоха „сърце върху чип”, което може да замени човешкия орган и тестването с животни [видео]