哈佛大學(xué)研究人員開發(fā)3D打印合成心臟瓣膜，可伴隨兒童一起生長(zhǎng)，減少手術(shù)次數(shù)

導(dǎo)讀：風(fēng)濕熱可能會(huì)損害兒童的心臟瓣膜，導(dǎo)致風(fēng)濕性心臟病、中風(fēng)和心力衰竭。如今，通過手術(shù)修復(fù)心臟瓣膜是可能的，但如果患者是身體仍在生長(zhǎng)的兒童，問題就變得十分困難。有時(shí)，需要進(jìn)行多次侵入性手術(shù)才能用更大的瓣膜進(jìn)行替換，而生產(chǎn)人造心臟瓣膜的過程成本高昂且漫長(zhǎng)。為了解決上述問題，來自哈佛大學(xué)的研究人員正在努力通過3D打印技術(shù)合成心臟瓣膜，該瓣膜能夠與年輕患者一起生長(zhǎng)，從而消除額外的手術(shù)。



2023年7月，南極熊獲悉，哈佛研究團(tuán)隊(duì)正在致力于創(chuàng)造這種革命性的兒童心臟瓣膜，稱為 FibraValve，可以在短短 10 分鐘內(nèi)通過稱為 PLCL 的聚己內(nèi)酯 (PCL) 和聚乳酸 (PLA) 的材料進(jìn)行組合，使用聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡絲 (FRJS)的新方法進(jìn)行 3D 打印，該技術(shù)允許將結(jié)構(gòu)定制至納米級(jí)。



研究人員在研究中寫道：“不幸的是，目前的心臟瓣膜置換術(shù)并不能與孩子一起成長(zhǎng)，因此需要在兒科患者的一生中重復(fù)進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)手術(shù)。FibraValves 采用可生物降解的聚合物纖維制造，允許患者的細(xì)胞附著和重塑植入的支架，最終構(gòu)建一個(gè)可以與孩子一起成長(zhǎng)并終生生活的原生瓣膜。”

研究主任Parker 和 Hoerstrup 近十年來一直致力于開發(fā)活的、生長(zhǎng)的心臟瓣膜，并于 2017 年生產(chǎn)了他們的第一個(gè)合成心臟瓣膜 JetValve。這是使用早期版本的 FRJS 制造的，其中生物相容性合成聚合物通過噴嘴并紡成長(zhǎng)納米纖維，這些纖維收集在閥門形狀的心軸上，以快速生產(chǎn)生物相容性閥門。兩人成功地將他們的 JetValve 植入了綿羊的心臟，該心臟能夠在那里正常工作并聚集活細(xì)胞再生新組織，但這仍有改進(jìn)的空間。



對(duì)于新的 FibraValve，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)閥形框架，使用 FRJS 的同時(shí)添加了空氣噴射流，使框架充滿液體聚合物。這可以輕松調(diào)整最終形狀，并提高纖維沉積到心軸上的速率，最終得到了一種合成的3D打印結(jié)構(gòu)，具有網(wǎng)狀納米纖維網(wǎng)絡(luò)，可以讓細(xì)胞滲透和生長(zhǎng)。

該研究的資深作者、哈佛大學(xué)生物工程教授 Parker解釋道： “細(xì)胞在納米尺度上運(yùn)作，3D 打印無法達(dá)到這個(gè)水平，但集中旋轉(zhuǎn)噴射紡絲可以在其中放置納米尺度的空間結(jié)構(gòu)。這樣，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入支架時(shí)，它們感覺就像在心臟瓣膜中，而不是合成支架中�！�


△FibraValve 由聚合物纖維長(zhǎng)絲組成，復(fù)制了人類心臟瓣膜的物理特性，并且具有足夠的多孔性，可以讓細(xì)胞滲透并用活組織替換支架。

此外，該團(tuán)隊(duì)定制的 PLCL 聚合物材料不僅可以改善 FibraValve 進(jìn)入體內(nèi)后活細(xì)胞的滲透，而且還可以生物降解。FibraValve 比其前身更具彈性，還允許細(xì)胞在整個(gè)支架上更均勻地分布。該團(tuán)隊(duì)還優(yōu)化了瓣膜內(nèi)部“小葉”的形狀，以減少通過瓣膜漏回的血液量。通過所有這些改進(jìn)，F(xiàn)ibraValve 可以實(shí)現(xiàn)自我重塑，對(duì)于心臟仍在生長(zhǎng)的兒童心臟瓣膜疾病患者非常有用。

Parker說：“這項(xiàng)研究說明了 FibraValves 作為患有瓣膜疾病的兒童的解決方案的潛力，我們的目標(biāo)是讓患者的原生細(xì)胞使用該設(shè)備作為藍(lán)圖來再生自己的活瓣膜組織，但 FRJS 也有潛力作為未來制造其他醫(yī)療設(shè)備的平臺(tái)。”


△聚合物和聚焦空氣射流被迫通過紡絲裝置，聚合物纖維聚集在閥形心軸上形成 FibraValve。

蘇黎世的 Hoerstrup 團(tuán)隊(duì)將 3D 打印的 FibraValve 植入活羊的心臟中，它立即開始發(fā)揮作用，小葉打開和關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)每次心跳時(shí)血流的調(diào)節(jié)。一小時(shí)后，研究人員觀察到稱為纖維蛋白的蛋白質(zhì)沉積在瓣膜外部，紅細(xì)胞和白細(xì)胞滲透到其多孔支架中，沒有發(fā)現(xiàn)副作用、血栓形成或任何其他問題的跡象�，F(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)期待在長(zhǎng)期動(dòng)物測(cè)試中評(píng)估 FibraValve 的性能和再生能力。Hoerstrup 說：“從臨床角度來看，F(xiàn)ibraValve 的這些首次 體內(nèi)結(jié)果很有希望，并激勵(lì)我們啟動(dòng)進(jìn)一步的臨床前評(píng)估�！�

研究人員相信，他們的 3D 打印心臟瓣膜置換方法最終可能會(huì)帶來更多定制化的植入式醫(yī)療設(shè)備，例如血管、其他瓣膜和心臟補(bǔ)片。