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)建針對患者的臨床模型。

項目的負(fù)責(zé)人Adam Feinberg教授說：“外科醫(yī)生可以對心臟模型進(jìn)行操縱，并像真實的組織一樣做出反應(yīng)?！币虼?，3D打印的模型不僅可以用于可視化手術(shù)規(guī)劃，還可以用于物理實踐?！?br />
“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，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，因為它與有機心臟組織的質(zhì)地和機械性能非常相似。更重要的是，TPU和硅膠等較軟的材料在重力作用下會出現(xiàn)變形，因此剛性稍強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)對它們進(jìn)行了12小時的后處理，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)隊成員就開始測試它們，看看聚合物在被縫合時能被拉伸多遠(yuǎn)。

結(jié)果表明，海藻酸鹽具有足夠的拉伸強度，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，以及其他可在真實人類心臟上進(jìn)行的操作?？偟膩碚f，這個項目可以開辟其他的研究途徑，未來，團(tuán)隊希望他們的FRESH方法能夠開發(fā)出一種生物醫(yī)學(xué)測試工具。

△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

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，拓寬了我們對人體的認(rèn)識。

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功能性的3D打印心臟跳動。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)胞壁厚度的主動脈復(fù)制品。

今年早些時候，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)生對一組25名患者進(jìn)行了研究，以強調(diào)3D打印的解剖模型如何用于心臟手術(shù)。團(tuán)隊最終利用CT掃描開發(fā)了一個可以按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