NASA 엔지니어와 의학 전문가들이 협력하여 심장기계 혁신을 위한 연구 진행

우주에 우주비행사를 수송하는 로켓 엔진과 장기 이식을 위한 브릿지 치료 장치. 양쪽의 복잡한 유체 역학을 이해함으로써, NASA의 엔지니어 팀은 심부전 말기 환자들을 돕기 위한 차세대 기계 장치인 ‘연속 흐름 좌심실 보조 장치( LVAD)’를 설계하였다.

이 작업은 1980년대에 시작되었으며, 현재 UNLV의 유체 혁신 연구실에서 진행되는 연구에 영감을 주었다. 이 연구실은 기계 및 항공우주 공학자인 황 천(Huang Chen) 교수에 의해 이끌어지고 있으며, 터보 기계에서의 유체 흐름의 복잡성을 활용하여 손바닥에 맞는 생물 의학 공학 문제를 해결하려고 하고 있다.

“그들은 디자인을 우주 왕복선 메인 엔진 연료 펌프에서 직접 가져와 사람들의 심장에 넣기 위해 크기를 축소했습니다.”라고 Chen 교수는 말했다. “그래서 이로 인해 제가 유체 역학 연구와 이 분야를 연결할 수 있었습니다.”

Chen 교수에게 우주 왕복선 엔진과 심장은 모두 ‘놀라운 기계’다. 그의 연구실은 이전 기술과 새로운 생물 의학 기술을 융합하여 성인 및 소아 환자를 위한 혈액 순환 기계를 개발하고 있다.

“우리의 큰 목표는 의료 기기의 혈액 친화성을 개선하고, 환자의 건강을 증진하며 결국 심부전 치료 및 치유하는 것입니다,”라고 Chen 교수는 말했다.

심장은 ‘놀라운 기계’

Chen 교수는 UNLV의 고급 공학 건물 3층에 있는 연구실에서 9명의 대학원 및 학부 학생들과 함께 작업하고 있다. 심장의 기능을 대체할 수 있는 기계 장치를 혁신하는 데 집중하며, 그는 2023년 가을 UNLV에 도착한 이후 연구실과 연구 포트폴리오를 구축하고 있다.

“심장의 주요 기능은 신체에 혈액을 펌프하는 것입니다.”라고 그는 설명했다. “심장병이 진행되면 심장은 결국 혈액을 펌프하는 기능을 멈추게 됩니다.”

Chen 교수의 공동 연구 프로젝트는 두 가지 인구를 대상으로 한다. 첫 번째는 심부전 말기 환자들로, 이들은 LVAD를 다리 이식 또는 목적지 치료로 의존하고 있으며, 두 번째는 복잡한 선천성 심장 결함으로 인해 단 하나의 심실만 기능하는 아동들이다.

현재 심장 이식은 이러한 환자들을 위한 표준 치료 방법이지만, 이식 가능한 장기는 제한적이다. 장기 공여 및 이식 네트워크에 따르면, 미국에서 매년 약 4,500회의 심장 이식이 이루어진다.

“저의 연구는 유체 역학적으로 더 나은 기기를 설계하는 데 중점을 두고 있으며, 이는 혈액에 부드럽게 작용하여 환자를 10년, 20년 또는 그 이상 지원할 수 있을 것입니다.”라고 Chen 교수는 강조했다.

‘혈액’은 Chen 교수가 언급했듯이 로켓 엔진의 주요 구성 요소인 연료와 상당히 다르다.

“심장의 기능을 대체하기 위해 펌프를 사용할 때, 그 펌프는 초당 수천 회전이 가능해야 합니다.”라고 Chen 교수는 설명했다. “이러한 빠른 회전은 많은 난류를 발생시키며, 이는 혈액 세포를 손상시킬 수 있습니다.”

혈액 손상은 비정상적인 출혈 및 응고를 유발하여 뇌졸중 및 기타 부작용으로 이어질 수 있다. LVAD 기술을 사용하는 사람들 중 약 절반이 2년 이내에 심각한 합병증을 경험하며, 10년 이상 생존하는 사람은 극히 일부에 불과하다.

“이 기술은 완벽하지 않으며,” Chen 교수는 말했다. “저의 연구는 유체 역학적 관점에서 이 문제를 해결해 혈액이 더 부드럽게 흐르고 난류를 방지할 수 있도록 혁신을 돕고자 합니다.”

Chen 교수의 팀은 또한 폴리우레탄으로 제작된 유연한 블레이드 및 장치의 복잡한 부품에 대한 미끄러운 코팅을 탐구하고 있다.

그들은 또한 단 하나의 작업 심실만 가진 아동이 직면하는 합병증도 다루고 있다. 개입이 없으면 이 상태는 치명적이다.

환자들은 일반적으로 3단계 수술 심장 수리를 받으며, 마지막 단계가 Fontan 절차이다.

수술 후, 아동은 여전히 단 하나의 좌심실에 의존하여 주요 펌프 챔버 역할을 하지만, 혈액은 이제 폐와 몸을 통해 흐를 수 있다. 그러나 이러한 독특한 생리학은 일반적으로 간과 폐 문제를 초래하며, 성인 초기에 심장 이식이 필요하게 된다.

“우리는 이 독특한 순환 시스템 내에 보조 펌프를 삽입하여 두 펌프 시스템을 재확립할 수 있도록 하는 솔루션을 찾고자 합니다.”라고 Chen 교수는 덧붙였다. 이는 합병증을 줄이고, 이 인구에서 심장 이식의 필요성을 없애는 장기적인 솔루션이 될 수 있다.

연구실 혁신에서 임상 솔루션으로

‘ReVolution’이라 불리는 혁신적이고 이식 가능한 장치는 Chen 교수가 공동 책임자로 참여하며, Baylor 의과대학, 텍사스 어린이 병원 및 텍사스 심장 연구소의 전문가팀과 협력하여 개발되고 있다.

ReVolution 장치의 펌프에는 로터가 포함되어 있으며, 이는 Chen 교수의 협력자가 설계한 것을 기반으로 하여 자기 부상에 의해 구동 시스템에 의해 지탱되고 있다. 이는 혈액에 가해지는 스트레스를 크게 줄여준다.

Chen 교수는 혈액 손상을 줄이기 위해 펌프를 최적화하는 데 기여하고 있으며, 혈액 순환 시스템을 시뮬레이션하여 펌프의 유효성을 분석하고 있다. 그는 물과 글리세린 혼합물로 혈액 유사 물질을 사용하며, 미세한 입자를 주입하고 레이저 시트를 통해 흐름 필드를 조명한다. 고속 카메라는 이 입자들이 이동하는 과정을 포착하는 ‘입자 이미지 속도 측정’ 기법을 활용하고 있다.

Chen 교수의 연구팀은 장치의 유효성을 평가하기 위한 계산 프레임워크를 설계했다.

ReVolution팀의 학문 및 의료 분야의 협력적 성격은 유체 혁신 연구실의 목표가 남부 네바다 및 남서부 지역의 임상의들과 협력하여 인체 내 다른 유체 역학 문제를 해결하겠다는 데 중점을 두고 있다.

“인간은 70%가 물로 이루어져 있습니다.”라고 Chen 교수는 말했다. “그래서 인체 내에도 많은 유체 역학 문제가 자연스레 존재합니다. 심장 및 폐동맥 같은 혈관에서도 복잡한 흐름 동역학이 있습니다. 이는 우리가 앞으로 탐구할 수 있는 내용입니다.”

그는 이러한 문제를 일상적으로 다루는 의료 전문가와 협력하는 것이 중요하다고 강조했다.

“우리 연구실에서 단순히 노는 것이 아닙니다. ‘이 문제가 흥미로우니 난 연구해보겠다’라고 하는 것이 아니라, 우리의 목표는 임상 문제를 해결하는 것입니다.”라고 Chen 교수는 결론지었다.

이미지 출처：unlv