인공 심장: 기술, 역사, 미래 전망

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배경

건강한 심장은 두 심방과 두 심실로 구성된 이중 펌프 기관으로 작동합니다. 우심방은 몸에서 산소 없는 혈액을 받아 우심실로 보내고, 우심실은 이를 폐로 보냅니다. 좌심방은 폐에서 산소 풍부한 혈액을 받아 좌심실로 보내고, 좌심실은 온몸으로 혈액을 분배합니다. 각 심장 주기는 심방 수축 후 심실 수축으로 이어져 효율적 혈액 순환을 보장합니다.

울혈성 심부전(CHF)은 심장 펌프 능력의 점진적 상실로 전 세계 주요 사망 원인입니다. 미국심장협회에 따르면 약 500만 미국인이 CHF를 앓고 있으며, 매년 40만 명 이상 새로 진단받습니다. 이들 중 약 절반이 진단 후 5년 내 사망합니다. 1998년 미국 의료 시스템은 심장 질환 치료에 약 950억 달러를 지출했습니다.

약물 요법과 수술적 중재로 증상을 완화할 수 있지만, 말기 심부전의 결정적 치료법은 심장 이식입니다. 1998년 약 7,700명 환자가 이식 대기자 명단에 올랐으나 30%만 장기를 받았습니다. 이 부족 사태가 인공 심장과 심실 보조 장치(VAD) 개발을 촉진해 이식 대기용 브리지 요법이나 목적지 요법 옵션으로 활용하게 했습니다.

이상적인 인공 심장은 지속적이고 신뢰할 수 있는 혈액 순환과 산소 공급을 장기간(일반적으로 24시간 최소 10만 회 박동) 윤활이나 정기 유지보수 없이 제공해야 하며, 환자 활동 수준에 맞춰 펌프 속도를 조절하고 감염이나 혈전 위험을 최소화해야 합니다.

순환 보조 장치의 두 주요 범주는 심폐기와 기계적 심장입니다. 심폐기는 산소화기와 펌프로 구성되어 개심 수술 중 사용되며, 시간이 지남에 따라 혈액 용혈로 인해 몇 시간 사용으로 제한됩니다. 기계적 심장은 쇠약해진 고유 심장의 부담을 줄여주고 임시 또는 영구 보조로 기능할 수 있습니다. 예를 들어 LVAD(좌심실 보조 장치)는 정상 심박출량의 일부를 전달해 좌심실을 보조합니다. 현재 전 세계적으로 약 4,000개의 LVAD가 이식되었으며, 미국 시장 규모는 연간 약 120억 달러로 추산됩니다.

역사

19세기 말부터 과학자들은 심장 기능을 대체하거나 보조할 기계적 해결책을 추구했습니다. 존 H. 기본 주니어(John H. Gibbon Jr.)가 개발한 최초의 인간용 심폐기가 1953년 성공적으로 사용되기까지 거의 1세기가 걸렸습니다. 4년 후 개 모델에 플라스틱 인공 심장이 이식되었습니다.

국립심장연구소(현 국립심장폐혈액연구소)가 1964년 인공 심장 프로그램을 공식화해 1969년 최초의 전인공 심장 인간 이식에 이르렀습니다.

1970년대에는 좌심실 보조 장치(LVAD)와 생체적합성 소재로 초점이 이동했습니다. 최초의 성공적 LVAD 이식은 1970년 이루어졌고, 이후 수십 년간 폴리우레탄과 플라스틱 펌프가 도입되어 수명이 연장되었습니다. 1980년대 FDA 규제 강화로 개발 비용이 증가해 분야 통합이 일어났습니다.

로버트 자빅(Robert Jarvik) 박사는 1983년 자빅-7(Jarvik-7) 인공 심장을 선보였습니다. 이 알루미늄-플라스틱 장치는 대형 외부 압축기로 구동되었으며, 1985년 바니 클라크(Barney Clark)에게 이식되었습니다. 클라크는 112일 생존했고, 이후 수혜자들은 최대 20개월 생존하며 이식형 보조의 실행 가능성을 입증했습니다.

완전 이식형 배터리 구동 장치에 대한 열망으로 1988년 NIH 자금 지원이 이뤄졌고, 1991년 전기 LVAD가 개발되었습니다. 1999년 찰리 채피스(Charlie Chappis)가 이식된 LVAD를 달고 퇴원한 첫 환자가 되어 장기 요법으로의 이정표를 세웠습니다.

원자재

인공 심장과 LVAD는 금속, 폴리머, 세라믹, 생물학적 구성요소가 결합되어 만듭니다. 주 금속 합금은 티타늄-알루미늄-바나듐으로, 생체적합성과 기계적 강도로 선택됩니다. 티타늄 부품은 정밀 가공 후 마이크로스피어 코팅을 받아 내피화를 촉진, 자연스러운 혈액 적합 라이닝을 만듭니다.

펌프 다이어프램은 혈구 부착을 유도하는 텍스처드 폴리우레탄으로 만들어 용혈을 줄입니다. 폴리에스터 그라프트로 대동맥에 부착하며, 돼지 심장 판막을 생체 판막 대체재로 사용합니다. 모터 부품은 보통 티타늄이나 고강도 세라믹으로 만듭니다.

설계

LVAD 설계에는 혈전 없이 적절한 유량을 보장하는 유체 역학, 진정한 생체적합성 소재 선택, 열 발생을 제한하는 모터 효율 최적화가 세심하게 요구됩니다. 장치 크기를 최소화해 면역 거부 위험을 줄이며, 일반적인 LVAD 무게는 약 1.2kg(2.4lb), 부피 660ml(1.4파인트)입니다.

로버트 자빅

1946년 5월 11일 미시간주 미들랜드 출생. 시러큐스 대학에서 건축과 기계 제도를 공부하다 아버지 심장병으로 예과로 전향. 1968년 동물학 학사, 1971년 뉴욕대에서 직업 생체역학 석사, 1976년 의학박사 취득. 유타대 생체의공학연구소에 합류해 윌럼 콜프(Willem Kolff)와 인공 심장 연구 협력.

제조 공정

• 부품은 정밀 기계 가공업체, 인쇄회로기판 생산업체 등 전문 서드파티 공급업체가 맞춤 제작합니다. 돼지 판막은 심장 판막 제작 전용 시설에서 폴리에스터 그라프트에 봉합됩니다.

  부품 조달 후 LVAD 조립체는 모든 사양 준수 여부를 검증하는 엄격한 테스트를 거칩니다. 합격하면 멸균 포장해 유통합니다.

폴리우레탄 부품 성형

• 일부 제조사는 독점 액체 용액을 세라믹 만드렐에 연속 층으로 도포해 폴리우레탄 다이어프램을 자체 제작합니다. 각 층은 경화·건조해 목표 두께에 도달하면 만드렐에서 분리해 검사합니다. 또는 서드파티 생산업체가 사출 또는 진공 성형에 RF 용접을 결합해 사용하기도 합니다.

조립

• 조립은 오염 방지를 위해 무균 클린룸에서 진행합니다. 최대 50개 정밀 부품을 고온 경화 접착제로 본딩합니다. 모터 하우징, 경피 튜브, 다이어프램 푸셔 플레이트 등 병렬 서브 어셈블리를 완료, 검사한 후 최종 통합합니다. 그라프트는 최종 조립 단계에서 별도 부착합니다.

테스트

• 조립 후 각 장치는 생리적 압력을 시뮬레이션하는 기계적 테스트를 거칩니다. 모든 전자 회로는 진단 장비로 평가해 정상 작동을 확인합니다.

멸균 및 포장

• 테스트 통과 후 장치를 외부 멸균 서비스로 이송합니다. 각 유닛을 멸균 플라스틱 트레이에 밀봉한 뒤 맞춤 보호 케이스에 넣어 출하하며, 오염과 손상으로부터 보호합니다.

품질 관리

대부분 부품은 제조사 입고 전 사전 검사를 거치지만, 핵심 부품은 백만분의 1인치 단위 공차로 치수 검사를 합니다. FDA 규정 준수를 위해 접착제를 포함한 모든 구성요소가 로트 및 시리얼 번호로 추적 가능해 완전한 추적성을 보장합니다.

부산물/폐기물

스크랩 티타늄은 회수, 재용해, 재주조해 금속 폐기물을 최소화합니다. 대부분 부품이 사전 검사 통과해 소량 불량 부품만 폐기합니다. 이식 후 장치는 제조사로 반납돼 분석되며, 이는 반복적 설계 개선을 위한 데이터가 됩니다.

미래

향후 10년간 기계적 순환 보조를 변화시킬 혁신 물결이 예상됩니다. 펜실베이니아 주립대 연구진은 무선 주파수 에너지로 경피적으로 전력을 공급받는 전자기계식 심장을 개발 중으로, 환자가 낮에는 배터리를 착용하고 밤에는 충전할 수 있게 합니다. 프로토타입은 2001년 인간 임상 시험 예정입니다.

다른 그룹들은 기계적 펌프 스트로크가 필요 없는 연속 흐름 펌프를 탐구 중으로, 장치 크기와 에너지 소비를 줄입니다. 호주 마이크로메디컬 인더스트리(Micromedical Industries Limited)는 2001년 인간 이식 예정인 연속 흐름 회전 펌프를 개발 중입니다. 오하이오 주립대는 하키 퍽 크기의 자가 조절 플라스틱 펌프를 개발해 고유 심장 기능 회복까지 단기 보조용으로 씁니다.

써모 카디오시스템즈(Thermo Cardiosystems, Inc.)는 자기 부상 로터를 탑재한 베어링리스 LVAD를 개발 중으로, 사실상 무한한 내구성을 약속합니다. 연속 흐름 원심 및 회전 변형 모두 경피적 에너지 전송용으로 설계돼 완전 이식형이 가능합니다.

공여 심장 부족으로 영구 인공 심장 대체가 주목받고 있습니다. LVAD는 로버트 자빅 같은 발명가와 마이클 드베이키(Michael DeBakey) 같은 외과 의사들에 의해 개선되고 있습니다. 전인공 심장은 텍사스 심장 연구소와 아비오메드(Abiomed, Inc.)가 공동 개발 중입니다. 일본에서는 세라믹 베어링 원심 펌프로 구동되는 실리콘 볼 판막 전심장을 연구 중입니다.

고유 심장 효율을 최대 30% 개선할 수 있는 형상 수정 클램프 같은 대체 요법도 연구 중으로, 구조적 심장 질환 환자에게 최소 침습 옵션을 제공합니다.