科學(xué)家3D打印出逼真的心臟瓣膜模型

來源：科技部

近幾年來，3D打印技術(shù)可謂是突飛猛進(jìn)的發(fā)展，幾個月就上升一個新高度。近日，發(fā)表在《Science Advances》上的一項新研究中，來自美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員在美敦力公司的支持下，開發(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脈瓣和周圍結(jié)構(gòu)模型，它可以模仿真實病人的外觀和感覺。

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，是使用專用墨水和定制的3D打印過程制造的。這類模型可用于微創(chuàng)手術(shù)的準(zhǔn)備工作，它將能改善全球成千上萬患者的預(yù)后。研究人員3D打印了主動脈根部，主動脈根部是離心臟最近并與心臟相連的部分，由主動脈瓣和冠狀動脈開口組成，具有三個瓣膜，稱為小葉，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：“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來幫助醫(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)險和減少并發(fā)癥。醫(yī)生可以在實際操作前測試并試驗瓣膜植入物。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)管主動脈瓣置換術(shù)(TAVR)做準(zhǔn)備，該術(shù)將一個新的瓣膜置入到患者自己的主動脈瓣內(nèi)。這種手術(shù)用于治療主動脈瓣狹窄，這是老年群體中最常見的心血管疾病之一。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。主動脈根部模型是通過對患者進(jìn)行CT掃描來匹配確切形狀而制成的。然后，研究人員使用專用的硅基墨水對該模型進(jìn)行3D打印。這種來自明尼蘇達(dá)大學(xué)可視心臟實驗室的墨水能夠與真實心臟組織的感覺相匹配。當(dāng)前市場上的商用打印機(jī)可以3D打印出形狀，但使用的墨水通常過于堅硬，無法與真實心臟組織的柔軟度相匹配。

另一方面，明尼蘇達(dá)大學(xué)的專業(yè)3D打印機(jī)能夠通過打印類似于修補(bǔ)干墻和石膏的散斑膏的墨水來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)過程中使用這些模型來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3D打印模型的終點。明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程系講席教授McAlpine說：“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