科學(xué)家3D打印出逼真的心臟瓣膜模型

來(lái)源：科技部

近幾年來(lái)，3D打印技術(shù)可謂是突飛猛進(jìn)的發(fā)展，幾個(gè)月就上升一個(gè)新高度。近日，發(fā)表在《Science Advances》上的一項(xiàng)新研究中，來(lái)自美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員在美敦力公司的支持下，開(kāi)發(fā)出一種突破性的技術(shù)，用多材料3D打印出了逼真的心臟主動(dòng)脈瓣和周?chē)�結(jié)構(gòu)模型，它可以模仿真實(shí)病人的外觀和感覺(jué)。

這些特定于患者的器官模型，包括集成到結(jié)構(gòu)中的3D打印軟傳感器陣列，是使用專(zhuān)用墨水和定制的3D打印過(guò)程制造的。這類(lèi)模型可用于微創(chuàng)手術(shù)的準(zhǔn)備工作，它將能改善全球成千上萬(wàn)患者的預(yù)后。研究人員3D打印了主動(dòng)脈根部，主動(dòng)脈根部是離心臟最近并與心臟相連的部分，由主動(dòng)脈瓣和冠狀動(dòng)脈開(kāi)口組成，具有三個(gè)瓣膜，稱(chēng)為小葉，被纖維環(huán)包圍。該模型還包括左心室肌肉和升主動(dòng)脈的一部分。

該研究通訊作者、明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授Michael McAlpine說(shuō)：“我們使用這些3D打印模型的目標(biāo)是，通過(guò)提供針對(duì)患者的工具來(lái)幫助醫(yī)生了解特定患者心臟的確切解剖結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性，從而降低醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)和減少并發(fā)癥。醫(yī)生可以在實(shí)際操作前測(cè)試并試驗(yàn)瓣膜植入物。這些模型還可以幫助患者更好地了解自己心臟的解剖結(jié)構(gòu)和手術(shù)本身�！�

這種器官模型主要用于幫助醫(yī)生為經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換術(shù)(TAVR)做準(zhǔn)備，該術(shù)將一個(gè)新的瓣膜置入到患者自己的主動(dòng)脈瓣內(nèi)。這種手術(shù)用于治療主動(dòng)脈瓣狹窄，這是老年群體中最常見(jiàn)的心血管疾病之一。TAVR手術(shù)比心臟直視手術(shù)修復(fù)受損瓣膜的侵入性更小。主動(dòng)脈根部模型是通過(guò)對(duì)患者進(jìn)行CT掃描來(lái)匹配確切形狀而制成的。然后，研究人員使用專(zhuān)用的硅基墨水對(duì)該模型進(jìn)行3D打印。這種來(lái)自明尼蘇達(dá)大學(xué)可視心臟實(shí)驗(yàn)室的墨水能夠與真實(shí)心臟組織的感覺(jué)相匹配。當(dāng)前市場(chǎng)上的商用打印機(jī)可以3D打印出形狀，但使用的墨水通常過(guò)于堅(jiān)硬，無(wú)法與真實(shí)心臟組織的柔軟度相匹配。

另一方面，明尼蘇達(dá)大學(xué)的專(zhuān)業(yè)3D打印機(jī)能夠通過(guò)打印類(lèi)似于修補(bǔ)干墻和石膏的散斑膏的墨水來(lái)模擬模型的軟組織成分，以及瓣膜上的硬鈣化。醫(yī)生可以在手術(shù)過(guò)程中使用這些模型來(lái)確定瓣膜裝置的尺寸和位置。模型中集成的3D打印傳感器為醫(yī)生提供的電子壓力反饋可用于指導(dǎo)和優(yōu)化患者解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)瓣膜的選擇和定位。

但是McAlpine并不認(rèn)為這是這類(lèi)3D打印模型的終點(diǎn)。明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程系講席教授McAlpine說(shuō)：“隨著我們的3D打印技術(shù)不斷改進(jìn)，我們發(fā)現(xiàn)了集成電子元件來(lái)模擬器官功能的新方法，這些模型本身或許可以用作人工替代器官。也許有一天，這些仿生器官會(huì)和生物學(xué)器官一樣，甚至更好。”

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/35/eabb4641