3D打印制備纖維增強主動脈模型

來源：上普生物


3D打印技術(shù)因其成型自由度高、快速及個性化制造等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于臨床診斷、手術(shù)規(guī)劃、組織工程支架和假體植入物的制造等醫(yī)學(xué)研究中。近日， 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 Paolo Ermanni 團隊 在 Materials Letters 期刊發(fā)表題為“ 3D printed mechanically representative aortic model made of gelatin fiber reinforced silicone composite ”的文章，報道了一種利用3D打印技術(shù)，由明膠纖維增強的硅膠復(fù)合材料制備，具有仿生應(yīng)力應(yīng)變行為的主動脈模型。

背景介紹
主動脈瓣狹窄是一種常見的老年性退行性心瓣膜疾病。對嚴(yán)重主動脈瓣狹窄患者，經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)（Transcatheter Aortic Valve Replacement，TAVR）是一種有效的治療手段。該技術(shù)通過股動脈送入介入導(dǎo)管，將人工心臟瓣膜輸送至主動脈瓣區(qū)打開，從而完成人工瓣膜置入，恢復(fù)瓣膜功能。在上述過程中，選擇具有合適幾何形狀的TAVR瓣膜對于手術(shù)治療成功具有重要意義。因此，外科醫(yī)生需要在手術(shù)前對患者主動脈結(jié)構(gòu)進行分析，并為每位患者選擇尺寸合適的心臟瓣膜。

目前已有研究通過計算機斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)實現(xiàn)主動脈瓣的三維重建，利用3D打印技術(shù)制造個體患者的主動脈模型。但現(xiàn)有主動脈模型研究大多采用單一橡膠類材料制造，這種模型僅能復(fù)現(xiàn)患者主動脈結(jié)構(gòu)，不能模擬天然主動脈組織的典型J形應(yīng)力應(yīng)變行為。因此，無法為外科醫(yī)生提供真實反應(yīng)主動脈特性的手術(shù)規(guī)劃模型。

在本研究中，Paolo Ermanni團隊構(gòu)建了一種明膠纖維增強的新型硅基復(fù)合材料，開發(fā)了單向明膠纖維的制備技術(shù)，利用3D打印技術(shù)制備了兼具患者特定幾何形狀且主動脈組織真實材料特性的手術(shù)規(guī)劃模型。

實驗過程與結(jié)果

1、患者主動脈解剖結(jié)構(gòu)構(gòu)建
基于患者心臟的CT圖像，使用Mimics醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，將“醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像和通信”（DIACOM）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算機輔助設(shè)計文件，分析匿名患者心臟的計算機斷層掃描圖像。使用三維可視化軟件3-matic用于處理從DIACOM 提取的幾何圖形，實現(xiàn)患者主動脈模型的三維重建。

圖1. 患者主動脈解剖結(jié)構(gòu)三維構(gòu)建

2 、 3D 打印制備主動脈硅膠模型
硅膠墨水由Dragon Skin 30、SLO-JO緩凝劑和親水性氣相法二氧化硅混制而成，犧牲墨水選用Nivea Cream�；�于雙噴頭3D打印機，使用硅膠墨水打印模型結(jié)構(gòu)部分、犧牲墨水打印支撐結(jié)構(gòu)部分。每打印兩層，使用紅外燈進行60秒的光固化。打印完成后，用純水清洗去除支撐結(jié)構(gòu)。

圖2. 基于雙噴頭3D打印制備主動脈硅膠模型

3 、定向明膠纖維增強的復(fù)合模型制備
研究者使用下圖3中自制的明膠纖維收集裝置。將制備的明膠纖維按照一致的取向手動分配在硅膠模型外側(cè)，并進一步將復(fù)合模型浸入硅膠墨水中，用硅膠墨水覆蓋上述明膠纖維。綜上，研究者采用3D打印硅膠模型、纏繞定向明膠纖維、浸涂硅膠外層的方法，制備“三明治”夾層結(jié)構(gòu)、明膠纖維增強的主動脈復(fù)合模型。

圖3. 用于制備明膠纖維的自制裝置

圖4. 制備明膠纖維增強的硅膠復(fù)合模型

4 、復(fù)合模型機械性能表征
為了制備與病變主動脈組織匹配的力學(xué)行為，對不同纖維體積分?jǐn)?shù)的明膠纖維增強的硅膠復(fù)合材料進行了測試，并與真實人體主動脈組織進行比較。明膠纖維增強的硅膠復(fù)合材料的力學(xué)拉伸結(jié)果展現(xiàn)出明顯的J形應(yīng)力-應(yīng)變曲線。明膠纖維體積分?jǐn)?shù)在10%到15% 之間的復(fù)合材料與本研究中所測81歲人類主動脈組織的力學(xué)行為接近。此外，可以通過調(diào)整“三明治”夾層結(jié)構(gòu)中明膠纖維的方向來模擬不同區(qū)域的力學(xué)各向異性行為。

圖5. 制備明膠纖維增強的硅膠復(fù)合模型

結(jié)論
本研究使用硅膠為基質(zhì)材料、定向明膠纖維為增強相，制備了 “三明治”夾層結(jié)構(gòu)的3D打印主動脈復(fù)合模型。通過改變沉積于復(fù)合模型中明膠纖維的比例調(diào)整模型力學(xué)特性，以模擬主動脈組織必要的J形應(yīng)力-應(yīng)變機械響應(yīng)。在未來研究中，研究者規(guī)則進一步改進模型中明膠纖維的精確分配，使該模型成為TAVR手術(shù)規(guī)劃中的有效訓(xùn)練工具。

參考文獻
Kuthe S、Schlothauer A、Bodkhe S 等人。 明膠纖維增強有機硅復(fù)合材料3D打印機械代表性主動脈模型[J]. 材料快報，2022：132396。https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132396