宇宙への旅を果たすロケットエンジンや、移植までの橋渡しをする装置は、両者に共通する流体力学の複雑さを理解することを目的としてきた。
その結果、NASAのエンジニアたちと医師たちが協力し、次世代の機械である連続フローレフト心室補助装置（LVAD）を設計し、末期心不全患者の助けとなる取り組みが行われている。
この研究は1980年代に始まり、今日ではUNLVの流体革新ラボで、新たな研究へとつながっている。
このラボは、機械・航空宇宙工学のエンジニアであるHuang Chenによって指導され、ターボマシンにおける流体の流れの複雑さを利用して、手のひらに収まる生物医学エンジニアリングの課題を解決する方法を探求している。
「彼らは、スペースシャトルのメインエンジンの燃料ポンプの設計を直接剥ぎ取り、それを人間の心臓に入れるためにスケールダウンしました。」と陳は言う。
「それが、私の流体力学の研究とこの分野とのつながりです。」
心臓と宇宙シャトルエンジンの両方が「驚くべき機械」であると彼は語る。
彼の研究室では、心臓の機能を代替するための新たな機械装置の開発が進められている。
「私たちの大目標は、医療機器の血液適合性を改善し、患者の健康を向上させ、最終的には心不全を治療・克服することです。」と陳は言う。
UNLVの先進工学ビル三階で活動する彼のラボには、大学院生や学部生が9名所属しており、心臓の機能を代替する機械装置のイノベーションに注力している。
心臓の主な機能は、体に血液を送り出すことであり、心臓病が進行すると、その機能が停止してしまう。
陳の共同研究は、心移植のための橋渡しまたは目的地治療としてLVADに依存する末期心不全患者と、複雑な先天性心疾患に対してフォンタン手術を受けた小児患者の2つの集団に焦点を当てている。
現在、心臓移植がこれらの患者にとっての治療における金標準であるが、ドナーの数には限りがある。
アメリカの臓器調達・移植ネットワークによると、年間約4,500件の心臓移植が行われている。
「私の研究は、流体力学的に優れたデバイスを設計し、長期間サポートできるようにすることです。」と陳は述べる。
「10年、20年以上患者を支えることができる機器を目指しています。」
血液は、陳が指摘するように、ロケットエンジンの主成分となる燃料や水ジェットポンプとは非常に異なる。
「心臓の機能を補うためにポンプを使用したい場合、ポンプは数千RPMで回転する必要があります。」と彼は言う。
「その高速な回転は、多くの乱流を生み出し、血液細胞を傷つけてしまうのです。」
血液の損傷は異常な出血や血液凝固を引き起こし、脳卒中や他の悪影響の原因となる。
LVAD技術を使用する対象者の約半数が、2年以内に重篤な合併症を経験しており、10年後の生存者はごくわずかである。
「これは完璧な技術ではありません。」と陳は言う。
「私の研究は、この問題を流体力学の観点から解決することを目指しています。」
チームはまた、ポリウレタン製の柔軟なブレードや、デバイスの複雑な部品のための滑りやすいコーティングを探求している。
単一の作動する心室しか持たない子供たちが直面する合併症にも対処している。
介入がなければ、この状態は致命的である。
患者は、通常、3段階の外科的心臓修復を行い、最終的にフォンタン手術を受け、これによって片方の心室が機能します。
手術後、子供たちはまだ主なポンピング室として機能する単一の左心室に依存しているが、血液は今や肺と体に流れることができる。
しかし、このユニークな生理学は、通常、肝臓や肺の問題を引き起こし、20代初頭で心臓移植が必要となる。
「私たちは、この独自の循環系の中に二次ポンプを挿入して、二つのポンプシステムを再構築しようと考えています。」と陳は言う。
「こうすることで、合併症が減り、潜在的には心臓移植の必要を排除できる長期的な解決策になると考えています。」
陳は、ReVolutionと呼ばれる新しい埋め込みデバイスを開発中であり、彼は共同 principal investigatorとして活動している。
ReVolutionデバイスのポンプには、彼の仲間の設計したローターが含まれており、駆動システムにより磁気的に浮上させられ、血液にかかるストレスが大幅に軽減されている。
陳の貢献は、ポンプを最適化し、血液損傷を減らすことにある。
彼は、循環系のシミュレーションを行い、血液の類似物質である水とグリセリンの混合物を使用して流れの中に微小粒子を注入し、その流動特性をチェックしている。
レーザーシートで流れの場を照らし、高速カメラで粒子の軌跡を捕らえる技術を用いている。
これは、粒子画像速度計測（PIV）と呼ばれる。
彼のチームは、デバイスの有効性を評価するための計算フレームワークを設計した。
ReVolutionチームは、学界と医療の両方からの専門家による学際的な性質を持ち、流体革新ラボの目指す目標は、南ネバダ州および南西地域の臨床提供者と協力し、人体の他の流体力学的課題を解決することである。
「人間の体は70%が水でできています。」と陳は述べる。「だから、当然、人間の体内には多くの流体力学的問題が存在します。」
「心臓や肺動脈の中には複雑な流れのダイナミクスがあり、その探求をするかもしれません。」
重要なのは、日々これらの問題に取り組む医療専門家とのコラボレーションだと彼は言う。
「私たちがラボの中で「これが面白い」と言っているだけではなく、臨床的な問題を解決することが私たちの目標です。」
画像の出所：unlv