海藻酸鹽3D打印全尺寸成人心臟模型，適用手術(shù)縫合練習(xí)

2020年11月27日，南極熊獲悉，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的3D生物打印方法，可以制造逼真的全尺寸人類心臟模型。

他們研究的“懸浮水凝膠自由可逆嵌入技術(shù)（FRESH）”，將環(huán)保型藻酸鹽聚合物擠出到定制的明膠容器中。研究團(tuán)隊(duì)希望與外科醫(yī)生合作，為手術(shù)訓(xùn)練和預(yù)演應(yīng)用創(chuàng)建針對(duì)患者的臨床模型。

項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Adam Feinberg教授說：“外科醫(yī)生可以對(duì)心臟模型進(jìn)行操縱，并像真實(shí)的組織一樣做出反應(yīng)�！币虼耍�3D打印的模型不僅可以用于可視化手術(shù)規(guī)劃，還可以用于物理實(shí)踐。”

“FRESH”3D打印新方法

越來越多的外科醫(yī)生正在采用3D打印作為開發(fā)定制模型的方法。

目前，諸如立體光刻（SLA）和熔融沉積建模（FDM）之類的常見3D打印技術(shù)正在用于再現(xiàn)逼真的器官。盡管這樣的方法通常已取得了積極的成果，但迄今為止，它們的廣泛采用受到成本和制造它們所需專業(yè)知識(shí)水平的限制。

為了克服這些限制，F(xiàn)einberg教授和他的同事們花了兩年時(shí)間研究如何以全尺寸打印人類心臟模型，并提出了“FRESH”方法。新技術(shù)首先從MRI掃描和其他掃描過程中收集的數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的3D模型。

然后使用直徑250微米的針頭打印最終的設(shè)計(jì)，針頭將藻酸鹽擠出到定制的容器中，容器的大小足以容納完整尺寸的復(fù)制品。最終發(fā)現(xiàn)他們的新方法可以產(chǎn)生比以前更耐用的模型，從而有可能更有效地用作外科手術(shù)訓(xùn)練工具。

△Feinberg和他的團(tuán)隊(duì)制造的全尺寸3D打印成人心臟模型，圖片來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)

3D打印的全尺寸手術(shù)模型

在3D打印過程中，科學(xué)家們采用海藻酸鹽作為模型的主要材料，因?yàn)樗�與有機(jī)心臟組織的質(zhì)地和機(jī)械性能非常相似。更重要的是，TPU和硅膠等較軟的材料在重力作用下會(huì)出現(xiàn)變形，因此剛性稍強(qiáng)的海藻酸鹽成為更適合的選擇。

在制造出一系列原型后，研究人員在明膠容器內(nèi)對(duì)它們進(jìn)行了12小時(shí)的后處理，然后將它們放入培養(yǎng)箱中過夜，以去除它們的明膠支撐。3D打印的心臟模型準(zhǔn)備好后，F(xiàn)einberg和團(tuán)隊(duì)成員就開始測(cè)試它們，看看聚合物在被縫合時(shí)能被拉伸多遠(yuǎn)。

結(jié)果表明，海藻酸鹽具有足夠的拉伸強(qiáng)度，可以制作成心臟模型供外科醫(yī)生練習(xí)。然后，研究人員繼續(xù)使用FRESH方法制造由充滿假血的冠狀動(dòng)脈組成的小型模型，這些模型也可以用于訓(xùn)練外科醫(yī)生。

研究人員總結(jié)說，他們的3D模型適合作為外科訓(xùn)練工具，用于練習(xí)縫合，以及其他可在真實(shí)人類心臟上進(jìn)行的操作。總的來說，這個(gè)項(xiàng)目可以開辟其他的研究途徑，未來，團(tuán)隊(duì)希望他們的FRESH方法能夠開發(fā)出一種生物醫(yī)學(xué)測(cè)試工具。

△圖片顯示了四張掃描圖，第一張圖片顯示的是基于MRI掃描的心臟，最后一張圖片是使用藻酸鹽的全尺寸FRESH打印的心臟模型，圖片來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)

3D打印和以前的心臟事項(xiàng)

近年來，科學(xué)家們紛紛采用3D打印的方式來制作逼真的器官模型，拓寬了我們對(duì)人體的認(rèn)識(shí)。

2020年7月，明尼蘇達(dá)大學(xué)開發(fā)了一種新的生物墨水，幫助他們用含有細(xì)胞的生物材料制造了一個(gè)功能性的3D打印心臟跳動(dòng)。新型材料使他們能夠3D打印出具有更多腔室、心室和高細(xì)胞壁厚度的主動(dòng)脈復(fù)制品。

今年早些時(shí)候，德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校(UTEP)和德克薩斯理工大學(xué)健康科學(xué)中心埃爾帕索分校(TTUHSC El Paso)的生物醫(yī)學(xué)研究人員共同合作，3D打印迷你心臟。這些充滿細(xì)胞的結(jié)構(gòu)被送往國(guó)際空間站（ISS），以研究微重力如何影響人類心臟的功能。

同樣在2018年，鄭州大學(xué)的一組醫(yī)生對(duì)一組25名患者進(jìn)行了研究，以強(qiáng)調(diào)3D打印的解剖模型如何用于心臟手術(shù)。團(tuán)隊(duì)最終利用CT掃描開發(fā)了一個(gè)可以按1:1比例3D打印的患者特定模型。

全尺寸3D打印心臟的研究論文名為 “FRESH 3D Bioprinting a Full-Size Model of the Human Heart.”。該論文由Eman Mirdamadi、Joshua W. Tashman、Daniel J. Shiwarski、Rachelle N. Palchesko和Adam W. Feinberg共同撰寫。


編譯自：3dprintingindustry