研究人員3D打印逼真的心臟瓣膜模型

2020年8月31日，南極熊獲悉，明尼蘇達大學(xué)的研究人員在美敦力公司的支持下，開發(fā)出了一種突破性的工藝，用于多材料3D打印逼真的心臟模型。

研究人員可以打印出栩栩如生的心臟主動脈瓣和周圍結(jié)構(gòu)的模型，模仿真實患者的確切外觀和感覺。

這些特殊病人的器官模型，包括集成到結(jié)構(gòu)中的3D打印軟傳感器陣列，使用專門的油墨和定制的3D打印工藝制造。這種模型可用于準(zhǔn)備微創(chuàng)手術(shù)，以改善全球成千上萬患者的治療效果。

這項研究發(fā)表在美國科學(xué)促進會（AAAS）出版的科學(xué)雜志《Science Advances》上。

研究人員3D打印了主動脈根部，即最靠近心臟并與心臟相連的主動脈部分。主動脈根部由主動脈瓣和冠狀動脈的開口組成。主動脈瓣有三個瓣膜，稱為小葉，周圍有一個纖維環(huán)。這個模型還包括部分左心室肌肉和升主動脈。

明尼蘇達大學(xué)機械工程教授和該研究的高級研究員Michael McAlpine說："我們使用這些3D打印模型的目標(biāo)是通過提供針對患者的工具，幫助醫(yī)生了解特定患者心臟的確切解剖結(jié)構(gòu)和機械性能，以降低醫(yī)療風(fēng)險和并發(fā)癥，醫(yī)生可以在實際手術(shù)前測試和試用瓣膜植入物。這些模型還可以幫助患者更好地了解自己的解剖結(jié)構(gòu)和手術(shù)。"

這種器官模型是專門設(shè)計的，以幫助醫(yī)生為經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣膜置換術(shù)（TAVR）的手術(shù)做準(zhǔn)備，在手術(shù)中，新的瓣膜被放置在患者的原生主動脈瓣內(nèi)。該手術(shù)用于治療一種叫做主動脈瓣狹窄的疾病，當(dāng)心臟的主動脈瓣變窄并阻止瓣膜完全打開時，會減少或阻止血液從心臟流入主動脈。主動脈瓣狹窄是老年人最常見的心血管疾病之一，在北美，約有270萬75歲以上的成年人受到影響。與開胸手術(shù)相比，TAVR手術(shù)修復(fù)受損瓣膜的創(chuàng)傷性較小。

主動脈根部模型是通過使用患者的CT掃描來制作的，可以獲得準(zhǔn)確的形狀。他們使用專門的硅基油墨進行3D打印，匹配真實心臟組織的感覺。目前市場上的商用打印機可以3D打印形狀，但使用的墨水往往過于僵硬，無法與真實心臟組織的柔軟度相匹配。

明尼蘇達大學(xué)能夠通過打印一種類似于建筑中的墨水，既能模仿模型的軟組織成分，也能模仿瓣膜瓣上的硬性鈣化。

醫(yī)生可以在手術(shù)過程中使用這些模型來確定瓣膜裝置的大小和位置。在模型內(nèi)3D打印的集成傳感器為醫(yī)生提供了電子壓力反饋，可用于指導(dǎo)和優(yōu)化瓣膜在患者解剖結(jié)構(gòu)中的選擇和定位。

明尼蘇達大學(xué)機械工程系McAlpine教授："隨著我們的3D打印技術(shù)不斷提高，我們發(fā)現(xiàn)了整合電子技術(shù)以模擬器官功能的新方法，這些模型本身可能會被用作人工替代器官。有朝一日，也許這些'仿生'器官可以和生物對應(yīng)器官一樣好，甚至比它們更好。"

除了McAlpine之外，該團隊還包括明尼蘇達大學(xué)的研究人員Ghazaleh Haghiashtiani，他是共同第一作者，也是一名剛畢業(yè)的機械工程博士生，現(xiàn)在在希捷公司工作；Kaiyan Qiu，另一位共同第一作者，也是一名前機械工程博士后研究員，現(xiàn)在是華盛頓州立大學(xué)的助理教授；Jorge D. Zhingre Sanchez，前生物醫(yī)學(xué)工程博士生。Jorge D. Zhingre Sanchez，曾在明尼蘇達大學(xué)可見心臟實驗室工作，現(xiàn)為美敦力高級研發(fā)工程師；Zachary J. Fuenning，機械工程研究生；Paul A. Iaizzo，醫(yī)學(xué)院外科教授，也是明尼蘇達大學(xué)可見心臟實驗室的創(chuàng)始主任；Priya Nair，美敦力高級科學(xué)家；Sarah E. Ahlberg，美敦力研究與技術(shù)總監(jiān)。

更詳細(xì)的研究內(nèi)容請閱讀題為 "3D printed patient-specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications"的完整研究論文。