Nat Commun：给心脏装上“软体仿生替身”，新人工模型或能精准模拟瓣膜病变与心衰进程

心力衰竭是全球致死率最高的疾病之一，其中射血分数保留型心衰（HFpEF）占全部心衰病例的半数，却因其发病机制复杂、血流动力学异质性高，长期缺乏理想的体外研究模型。这一空白不仅掣肘了基础病理探索，更直接导致针对HFpEF的医疗器械研发陷入“无可靠测试平台”的困境。传统动物模型难以完全复刻人类心脏精细的瓣膜运动和舒张功能；而常规的硅胶管道模拟器则过于简化，无法再现心肌扭转、乳头肌牵拉及腱索张力变化等关键生物力学特征。

近日，一篇发表在国际杂志Nature Communications上题为“Compliance modulation of a soft robotic atrioventricular model of heart failure with preserved ejection fraction”的研究报告中，来自澳大利亚新南威尔士大学等机构的科学家们通过研究开发了一款完全由软体机器人技术构建的左侧心脏仿生模型，首次集成了人工二尖瓣、乳头肌和腱索结构，并能通过闭环控制系统模拟HFpEF的疾病进展，该研究为理解复杂心脏病理、测试新型介入器械提供了极具潜力的新工具。

这款模拟器的核心创新在于其材料与驱动方式。心脏腔室由柔性硅胶膜制成，外部包裹的“人造肌肉纤维”采用水压驱动，其排列方式模拟了真实心肌的螺旋走向。这一设计使得模型在收缩时不仅能够挤压，还能产生类似真实心脏的扭转运动。更重要的是，研究人员在人工二尖瓣下方连接了可独立调节张力的“人工乳头肌”和“腱索”。通过精细调控这些结构的张力，研究人员成功复现了二尖瓣脱垂和反流的病理状态—当张力失衡时，瓣叶无法严密闭合，血液出现“回漏”，压力波形和流量数据均与临床患者高度吻合。

该研究最引人注目的部分，是其在HFpEF建模上的探索。HFpEF的核心病理生理特征包括心室舒张功能受损、僵硬度增加以及心包束缚效应。研究人员设定了特定的血流动力学目标，并通过闭环控制系统动态调节人工心肌的顺应性。结果令人鼓舞：模拟器能够再现舒张期松弛延迟和充盈压升高这一HFpEF早期关键表现。当模拟“松弛受损”时，血液流入模型心室的速度减慢且效率降低，心室腔内压力显著上升，这一系列变化与临床上使用超声心动图和组织多普勒检测到的HFpEF患者血流模式极为相似。该模型不仅捕捉了压力与流量的宏观变化，更从生物力学层面复现了心肌被动牵拉特性的改变。

除了病理模拟，该平台在器械测试方面的实用性也得到了验证。研究者将一款新开发的软体机器人心脏导管置入跳动的人工心脏内进行导航测试。结果显示，导管能够在动态环境中准确识别与运动中的心内结构的接触点，这为未来设计更安全、更智能的心血管介入工具提供了理想的“练兵场”。该模型的另一大优势在于其与临床检测手段的高度兼容性。研究人员成功利用超声成像（即心脏彩超）对模型进行评估，所获得的瓣膜活动影像、血流频谱以及反流束形态均与真实人体心脏的超声图像如出一辙。这意味着，医生和工程师可以在同一平台上，同时使用有创压力导管和无创影像手段进行全方位评估，大大缩短了从实验室到临床的转化验证周期。

当然，这一模型目前仍处于概念验证阶段。研究负责人坦承，后续需要在材料耐久性、驱动速度、控制系统响应频率等方面持续改进，并且必须使用大规模真实患者数据对模型进行系统性标定与验证。然而，其独特的价值在于填补了“高度可控”与“生物逼真度”之间的鸿沟。与动物实验相比，该平台可以无创地“制造”特定病变，且排除了个体差异和伦理限制；与传统台式模拟器相比，它又保留了瓣膜-心室耦合、心肌扭转等三维动态信息。

这套“软体仿生心脏”有望在未来降低早期器械研发对动物实验的依赖，并为特定患者提供基于影像数据的个性化模型，用以术前评估不同型号植入物的匹配度。尽管通往临床的道路尚需时日，但这项研究已清晰地描绘出一条将软体机器人技术、生物力学模拟与心血管医学深度整合的技术路径，为攻克HFpEF这一“顽固堡垒”提供了新的战术支点。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Davies, J., Sharma, B., Ji, A. et al. Compliance modulation of a soft robotic atrioventricular model of heart failure with preserved ejection fraction. Nat Commun (2026). doi：10.1038/s41467-026-73791-w