Опубликованный в 1978 году фантастический роман «Сердцебиение» Юджина Донга повествует о вживлении искусственного сердца, работающего на радиоактивном плутонии. Эксперимент удался, операции по имплантации продолжились. Но самого первого пациента похитил террорист, угрожая распылить в воздухе плутоний из его сердца и погубить тысячи человек.
В США с 1967 по 1977 год реализовывались две исследовательские программы по созданию полностью автономного механического сердца с атомным источником энергии. Ученые до сих пор утверждают, что технологически проект был вполне осуществим, однако помешали социальные и политические разногласия. Роман «Сердцебиение» сыграл в этом не последнюю роль.
Разработку искусственного органа правительство США поручило Национальному институту сердца и Агентству по атомной энергетике. Предполагалось сформировать общий проект, однако этого сделать не удалось. Национальный институт сердца планировал создать атомное сердце в два этапа: сначала — механический насос без источника питания, затем — с автономным атомным источником питания. Агентство по атомной энергетике намеревалось сразу изготовить орган с плутонием. Разногласия между организациями были политического характера. Институт действовал в интересах администрации президента Линдона Джонсона, обещавшего американцам действующую систему искусственного сердца. Автономности можно было добиться позднее. В агентстве с этим подходом не соглашались.
Контракт на разработку искусственного сердца в 1971 году от агентства получили компании Westinghouse Electric и Philips. Первая осуществляла общее руководство проектом и создавала источник энергии, вторая занималась силовым агрегатом. В качестве основы для него выбрали двигатель Стирлинга. Это решение обусловливалось высоким КПД, подходящими размерами и низкими энергозатратами двигателя. Прототип искусственного сердца состоял из двух подсистем: с тепловым конвертером и насосом. Тепловой преобразователь питался от источника, представляющего собой РИТЭГ с 60 граммами плутония-238. В результате его распада выделялось тепло, нагревавшее газ, который от этого расширялся и толкал поршень насоса, перекачивавший кровь через сердце.
Распад плутония и продуктов реакции приводил к образованию альфа-частиц (ядер гелия). Для защиты от радиации и избыточного тепловыделения источник помещался в трехслойную металлическую оболочку из платины, родия и тантала. Внутренние стенки искусственного сердца содержали прокладки из каучукового пластика с текстурой из полиэфирных волокон. Это позволяло снизить свертываемость крови и риск эмболии или инсульта. В качестве источника радиоизотопов компания Philips также рассматривала прометий-147 и тулий-171, но выбрала плутоний-238 из-за его доступности, большого периода полураспада (87,7 года), низкой скорости эмиссии и высокой мощности (газовая машина Philips развивала 33 ватта).
Westinghouse Electric и Philips привлекли к сотрудничеству изобретателя аппарата искусственной почки Вилли Колффа. С его помощью были созданы биоматериалы насоса и гибкий приводной вал, соединяющий насос с преобразователем тепла. Насос состоял из двух желудочков, толкающих кровь в сторону выталкивающихся пластин при сжатии двух диафрагм. Для этого частота двигателя Стирлинга компании Philips была снижена с 1,8 тысячи до 120 оборотов в минуту.
Проект Агентства по атомной энергетике
Изображение: Special Collections, J. Willard Marriott Library, University of Utah
Механический насос предполагалось имплантировать целиком вместо больного органа, а источник питания — разместить в брюшной полости. К 1972 году агентству по атомной энергетике и компании Westinghouse Electric еще не удалось создать достаточно компактные тепловой преобразователь и механический насос. Тем не менее достигнутые успехи воодушевляли, и на 1974 год были запланированы первые испытания на животных. Однако обогнали конкуренты из Национального института сердца.
В феврале 1972 года кардиохирург Джон Норман имплантировал элемент механического сердца больному сердечной недостаточностью теленку с целью временного поддержания его жизнедеятельности. Эта новость широко обсуждалась в США. Всего с 1972 по 1974 год Норман и его коллеги выполнили эксперименты с 15 телятами. Животные выживали в течение нескольких часов, а не дней, как планировалось, и погибали в результате кровоизлияний (из-за разрывов сердца) или повреждений внутренних органов. В дальнейшем Норман продолжил эксперименты с искусственным сердцем, но отказался от радиоактивных изотопов в качестве источников питания.
Доктор Джон Норман (справа) с прототипом искусственного сердца
Фото: Texas Heart Institute
Искусственное сердце Норманна состояло, как и у Westinghouse Electric, из двух частей: теплового преобразователя и механического насоса. Насос, изготовленный из пластика и покрытый структурированным силиконом, присоединялся к верхней части левого желудочка и отвечал за доступ крови в нисходящую грудную аорту. Работу насоса обеспечивало трехкилограммовое устройство, в том числе 0,7-килограммовый двигатель, питающийся 120-граммовым источником с плутонием-238. Все устройство должно было размещаться в брюшной полости животного. Двигатель с рабочей температурой 480 градусов Цельсия преобразовывал энергию радиоактивного распада в 52 ватта гидравлической мощности насоса.
В отличие от двигателя Стирлинга, в котором рабочее тело (воздух) никогда не изменяло свою фазу (оставалось в газообразном состоянии), в агрегате, разработанном компанией Thermo Electron Engineering, каждый цикл работы двигателя (сжатия и расширения) сопровождался испарением и конденсацией рабочего тела. По сути этот агрегат представлял собой обычный паровой двигатель. Несмотря на громоздкость конструкции, ее сторонники утверждали, что отсутствие в ней каких-либо клапанов и большого количества движущихся частей обеспечивает высокую надежность.
Импланты в теленке (согласно проекту Нормана)
Изображение: AIP Publishing LLC
Отчет, опубликованный Норманном и представленный Конгрессу, отличался, как отмечают эксперты, поверхностностью и преувеличивал значение полученных результатов. Интерес к этой работе подогревали СМИ, регулярно публиковавшие материалы о случаях смерти людей от сердечной недостаточности, в том числе и в связи с дефектами работы кардиостимуляторов и других медицинских устройств. Большинство ученых сходятся во мнении, что проект Агентства по атомной энергетике (который не дошел до эксперимента с животными и тем более людьми) был по-настоящему инновационным. Программа же Национального института сердца основывалась на примитивных технологиях, а ее популярность объясняется успешной PR-кампанией.
Главные затруднения, связанные с использованием плутония в системах искусственного сердца, объясняются предрассудками человека, а также дороговизной технологии. В конце 1970-х в кардиостимуляторах начали применять дешевые литиевые аккумуляторы, так что потребность в радиоизотопах отпала. Коллф с коллегами настаивал на необходимости экспериментов на людях. Оппоненты заявляли, что искусственное сердце слишком сложно и чревато ошибками. К середине 1970-х годов под натиском политиков и общественности Агентство по атомной энергетике свернуло работы по атомному сердцу. В 1977 году это же сделал Национальный институт сердца. Колфф вернулся к работе над старым пневматическим искусственным сердцем и добился в этом направлении большого прогресса.