在 1970 年代后期，美国电视观众被一部名为《六百万美元的人》的每周剧集所吸引，该剧由李·梅杰斯饰演秘密特工史蒂夫·奥斯汀。 奥斯汀是一个电子人，一个从濒死状态中被救活并经过生物工程改造后，在力量、速度和视力方面都超乎常人的人。 在该系列剧的五年播出期间，奥斯汀作为仿生人进入了大众的语言。
自 1960 年代以来，技术乐观主义的时代一直在积聚势头，这在很大程度上是由于太空计划的巨大成功。 人们越来越相信，美国的科学创造力几乎可以设计出任何东西——包括人体。 事实上，在宇航员开始飞入太空的同时，政府也将目光投向了生物工程的最高目标：永久性的人工机械心脏替代品。
快进到 1988 年 5 月，《纽约时报》将整个人工心脏的概念斥为医疗技术的吸血鬼，一个自负的 2.4 亿美元的浪费。 该报的社论员简明扼要地评论道：创建可植入人工心脏的联邦项目已经死了。
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发生了什么？ 人工心脏的伟大生物工程希望如何在短短十年内变成如此的讽刺？
这个问题有一个长答案和一个短答案。 长答案很复杂，涵盖了从材料到电池到电机和微处理器，以及大量的营销心理学等几个方面的基础科学和技术。 《泰晤士报》可能过早地注销了整个企业，许多人认为这个企业今天比以往任何时候都更有希望。 然而，剖析早期的挫折为最近的进展和进一步的挑战提供了一个有用的视角。
短答案是巴尼·克拉克。
克拉克是一位西雅图牙医，他于 1982 年成为第一个永久性机械心脏的接受者。 永久性有点可怕的用词不当，因为克拉克只活了 112 天。 更重要的是，对于这位 61 岁的老人来说，这是 112 个悲惨的日子，他从未离开过医院，并且一直被拴在为他嘈杂的新心脏供电的冰箱大小的压缩机上。 他遭受了抽搐、认知问题和肾功能衰竭，然后死于多器官衰竭。
让克拉克活了几个月的机械心脏是所谓的 Jarvik-7，以其发明者罗伯特·贾维克的名字命名。 全国人民都在密切关注着克拉克的进展，每日新闻发布会推动了这一进展，但随着病人的病情恶化，新闻发布会很快变成了同情和失望。 这个案例对 Jarvik-7 来说是一场公共关系灾难。 克拉克使用新心脏的生活质量如此之差，以至于公众舆论在十年间对这个想法感到不满。 在接下来的几年里，又有四名患者接受了永久性的 Jarvik-7 心脏，其中一名威廉·施罗德甚至存活了 620 天，但对梦想的破坏已经造成。 1990 年，美国食品和药物管理局撤销了制造更多 Jarvik-7 心脏的许可。
当然，事后诸葛亮地评论四分之一个世纪前的决定很容易，但今天许多心脏病专家认为，考虑到当时的知识水平，植入 Jarvik-7 是一个错误，为时过早。 梦想家们被天然器官设计的简单性所诱惑——它实际上只是一个四腔泵——并且对其动态复杂性有些天真。 美国心脏病学会副主席阿尔弗雷德·博夫说：上帝赋予的心脏是一个动态平衡、经过微调的器官，具有产生力量、提高和降低脉搏的能力。 在人工心脏中不可能获得这种能力。
但是，可以近似地实现它。 如果没有其他的话，Jarvik-7 的实验表明，基本概念没有缺陷：它们证明了人们可以在由塑料和金属制成的心脏状物体中存活很长时间。 当时，这一演示本身就是一个巨大的进步，对于每年死于心力衰竭的 50,000 多名美国人来说，这是一个非常好的消息，其中一些人在等待可用于移植的 2,200 个捐献心脏之一。 自 1980 年代中期以来所做的所有工作都是为了找出 Jarvik-7 的问题并加以解决。
当联邦政府开始追求人工心脏时，罗伯特·孔还是一名年轻的物理化学研究生。 1948 年开始的弗雷明汉（马萨诸塞州）心脏研究正在产生关于美国人心脏病和死亡率高的早期结果，心脏病专家们意识到他们对这种致命疾病的预防或治疗知之甚少。 因此，从某种意义上说，政府对机械心脏的追求是受当时医疗不足的启发。
全功能人工心脏的早期目标日期是 1972 年——孔说这是一个过于乐观的期望，他的一生都在开发一种新的、改进的机械心脏。 他是 Abiomed 的首席科学官，这是一家总部位于马萨诸塞州丹弗斯的公司，专门为解决 Jarvik-7 实验中明显存在的许多问题而创建的。 他说，尽管将火箭送上月球似乎是一项更伟大的壮举，但实际上要简单得多，因为可以使用数学和物理定律准确预测速度和轨迹。 机械心脏与人体组织和血液之间的界面更加复杂和不稳定，涉及血流模式、凝血剂以及一群免疫哨兵和士兵防御感染的微妙相互作用。 心脏跳动，但它不像钟表一样。
一代人以前对这种动态的理解很差，导致了无法克服的问题。 Jarvik-7 接受者的生存面临的最大威胁是中风和感染。 孔在设计 Jarvik-7 的继任者 AbioCor 时，在过去三十年的大部分时间里都专注于这两个问题。 CardioWest 的设计者，这是 Jarvik-7 的一个迭代版本，仅用作移植的桥梁，也一直在以不同的方式解决这些问题。 以下是对吸取的教训的总结。
血液想要流动
寿命最长的 Jarvik-7 接受者威廉·施罗德死于中风。 这是早期全心置换中最常见的风险之一：血细胞碎片会粘在机械装置上，然后脱落，导致可能危及生命的血栓。
当时的部分问题是，医学科学家根本不太了解血流的物理学和循环血小板的行为。 正如孔所说，血液想要流动。 它希望一直处于运动状态。 当它的运动过于迟缓时，它就会凝结。 另一方面，如果它移动得太快，细胞会被剪切和破坏，产生碎屑，这些碎屑会堆积在动脉中并导致阻塞。
Jarvik-7 有几个致命的凝血问题，随后的研究似乎已经解决了这些问题。 首先，用于制造 Jarvik-7 的材料太粗糙； 它们有划痕和沟壑，允许血细胞附着，然后分裂并导致问题。 AbioCor 由钛和一种名为 Angioflex 的聚氨酯混合物制成，后者是通过一种秘密工艺生产的，Abiomed 声称这种工艺使其非常纯净和光滑，不易凝结。
更重要的是，Jarvik-7 由一个大型笨拙的气动泵提供动力，当它强迫血液通过机械腔室时，实际上会震动心脏接受者的身体。 巴尼·克拉克的 112 天一定非常不愉快，他的身体不断地被一台嘎嘎作响的机器推搡。 这种粗糙的泵已经被一个微型电机驱动的液压泵所取代，该泵更接近于天然心脏和循环系统的持续血流。 旋转电机每天将液压油从 AbioCor 的一个心室推到另一个心室，来回 100,000 次，缓慢而稳定地将血液泵入肺部和身体。 微型电子控制器根据需要调整流量水平，保持血液流动顺畅，无论患者是睡觉、坐着还是散步。
AbioCor 在 2001 年至 2004 年间进行了临床试验，在此期间有 14 名重病患者接受了该设备。 所有人都死了，但重要的是要知道这些人是病得最重的病人，如果根本没有干预，他们只能活几个星期。 有些人死于中风，但平均存活时间超过四个月，比试验前的预期寿命增加了三倍多。 其中一个，肯塔基州轮胎经销商汤姆·克里斯特森，存活了 17 个月，实际上在家里与家人一起生活了最后 9 个月。 孔说，大多数凝血问题都与将机械心脏连接到人体循环系统的袖带有关。 袖带经过重新设计以消除凝血。
早期机械心脏试验中的另一个主要杀手是感染。 当然，所有重大手术都带有感染风险，而安装人工心脏是一项漫长而复杂的手术。 但困扰 Jarvik-7 接受者的大多数感染都是后来由于其设计造成的。 冰箱大小的气动泵通过软管为机械心脏供电，这些软管必须穿过皮肤上的永久性切口。 这些开放的切口很容易受到感染，事实上，尸检显示接受者死后体内有大量的细菌生长。
CardioWest 仍然存在感染问题，因为它像它的祖先一样是通过大型气动管在外部供电的。 然而，通过用聚酯纤维覆盖管子，感染的风险已经降低。 接受者的组织与纤维表面缠绕在一起，形成紧密的配合，可以至少将一些细菌拒之门外。 尽管如此，在 CardioWest 心脏的大型临床试验中，超过 70% 的患者确实感染了。
对抗感染
AbioCor 更巧妙地解决了感染问题。 AbioCor 没有使用气动泵，而是使用电力，来自标准插座、外部电池或微型内部电池。 但心脏的所谓经皮能量传输系统 (TET) 并没有刺穿皮肤，而是以电磁波的形式将能量穿过皮肤，从外部线圈传输到电磁耦合的内部线圈，从而为心脏供电并为内部电池充电。 消除了对刺穿皮肤的管子的需要，大大减少了感染引起的并发症。 事实上，根据孔的说法，临床试验中的 14 名患者中没有一人死于设备相关的感染。
TET 动力系统还有一个额外的好处：提高了生活质量。患者可以在睡觉或坐着时为心脏的外部电池充电，并且在两次充电之间，可以带着一个小腰包自由活动几个小时。更重要的是，内部电池可以为心脏供电约一个小时，让患者可以在没有任何外部连接的情况下淋浴等。这些可能听起来是小事，但与克拉克和其他 Jarvik-7 接受者受限的严重生活相比，这是一个巨大的进步。
如果没有 20 世纪 80 年代初根本不存在的某些技术，TET 动力系统是不可能实现的。例如，该系统需要高容量锂离子电池，这种电池现在在便携式电子产品中无处不在，但在 20 世纪 90 年代之前没有商业销售。TET 系统还使用非常小的微处理器来调节能量流动。总的来说，电子产品的微型化现在使得这一关键的设计元素成为可能。
尽管在小型化方面取得了这些进展，但 AbioCor 仍然远非小型。这个重达两磅、柚子大小的设备比典型的人类心脏大两倍多。这意味着它对于所有儿童、大多数女性，甚至一些成年男性来说都太大了。Abiomed 的科学家目前正在研究一种名为 AbioCor II 的设计，它将缩小 30%——小到甚至适合一些儿童使用。
关于 AbioCor 和类似设备可以承受多少磨损的问题仍然存在。没有机械设备可以永久使用，并且有理由期望其中一些部件会磨损。心脏病专家罗伯特·道林在临床试验期间在《胸心血管外科杂志》上撰文，估计液压膜（膨胀到心室使其泵血的部分）的寿命为一年或更长。根据道林的说法，实际的泵和开关阀（心脏中唯一真正移动的部件）可以持续三到五年。但事实是，没有人能确定。目前已知的是，一个 AbioCor 心脏在克里斯特森的胸腔内跳动了 17 个月而没有发生故障。
心脏衰竭的发生率正在上升，部分原因是婴儿潮一代的老龄化。全国可用于移植的人类心脏供应量似乎停留在 2200 颗左右——甚至不到需要心脏移植的心力衰竭患者的 5%。最重要的是，对于某些患者来说，永久性的人工心脏确实意味着生死攸关。去年秋天，在 AbioCor 的临床试验之后，美国食品药品监督管理局 (FDA) 根据特殊的人道主义规则批准了这种人工心脏的上市。这种类别的批准保留给那些已被证明有益的设备和药物，尽管只适用于极少数患者——每年不超过 4,000 人。汤姆·克里斯特森有资格获得批准。对他来说，这 17 个月的缓解意味着他亲眼见证了曾孙女艾伦的出生。