綜述《Trends in Biotechnology》：3D 打印心臟瓣膜

來源：EFL生物3D打印與生物制造

心臟瓣膜疾病是現(xiàn)代重要健康負擔，目前臨床常用的機械瓣膜和生物瓣膜存在需終身抗凝、結構易退化等問題，而聚合物瓣膜和組織工程瓣膜尚未實現(xiàn)主流臨床應用。來自西澳大學Elena M. De-Juan-Pardo團隊在《Trends in Biotechnology 》期刊上發(fā)表文章“3D printing of heart valves”，綜述了3D打印心臟瓣膜的研究進展，聚焦于利用該技術制造患者特異性模具之外的研究。文中探討了人工心臟瓣膜在流體力學、耐久性、生物相容性及經(jīng)導管植入兼容性方面的關鍵要求，分析了立體光刻、直接墨水書寫等3D打印技術在心臟瓣膜工程中的應用，參考ISO標準評估了這些瓣膜的功能。研究指出，3D打印技術在制造復雜結構、多材料組裝及仿生結構方面展現(xiàn)出前所未有的潛力，有望對人工心臟瓣膜的研發(fā)產生重大積極影響并可能實現(xiàn)完全復雜功能。

研究內容
通過示意圖及公式推導，研究了經(jīng)瓣膜壓力梯度（TVPG）、有效孔面積（EOA）、總反流分數(shù)（TRF）在主動脈瓣位置的計算方法及臨床意義。結果表明，3D 打印瓣膜需滿足 ISO 標準中 EOA≥1.15 cm²、TRF≤20% 等核心指標，部分 3D 打印瓣膜（如 MEW 復合瓣膜）的 EOA 和 TVPG 已接近或優(yōu)于健康瓣膜水平，但長期耐久性仍待提升。通過匯總不同技術的材料、細胞類型及研究時間，研究了SLA、DIW、MEW等技術在TEHV和PHV中的適用場景。結果顯示，TEHV以水凝膠和可降解聚合物為主，側重細胞相容性；PHV多用硅基和聚氨酯材料，強調力學耐久性，且DIW和MEW技術在多材料集成與結構精準控制中表現(xiàn)突出。

圖1. 通過ISO 5840評估的主要水動力指標示意圖

圖2. 工程心臟瓣膜用3D打印技術的工作原理示意圖

1. 3D打印心臟瓣膜-立體光刻（SLA）和直接墨水書寫（DIW）
通過設計均質/異質水凝膠結構、細胞封裝及仿生硅基框架，研究了SLA和DIW技術在瓣膜力學性能與流體動力學的表現(xiàn)。結果顯示，SLA異質水凝膠瓣膜經(jīng)Fe³⁺強化后抗疲勞循環(huán)次數(shù)提升超17倍，DIW硅基PHV通過4000萬次循環(huán)測試，流體力學指標（EOA、TRF）符合ISO標準，且含細胞的DIW瓣膜可促進細胞存活與基質沉積。

圖3. 基于立體光刻（SLA）和直接墨水書寫（DIW）的3D打印心臟瓣膜   

2. 3D打印心臟瓣膜-生物繪圖（Bioplotting）和熔融電寫（MEW）
通過膠原蛋白生物墨水打印、脫細胞處理及仿生纖維結構設計，研究了生物繪圖和MEW技術在瓣膜仿生結構與生物相容性的應用。結果表明，生物繪圖技術可構建完整心臟模型，但流體力學性能待優(yōu)化；MEW仿生膠原纖維瓣膜力學性能接近天然組織，復合水凝膠后流體循環(huán)測試表現(xiàn)優(yōu)于部分臨床瓣膜，且大鼠體內實驗顯示支架可促進細胞浸潤與膠原沉積。      

圖4. 基于生物繪圖（Bioplotting）和熔融電寫（MEW）的3D打印心臟瓣膜   

3. 3D打印心臟瓣膜與商用瓣膜的流體力學性能對比
通過對比ISO標準下的關鍵指標（EOA、TRF、TVPG），研究了3D打印瓣膜與市售機械瓣、生物瓣的功能差異。結果表明，部分3D打印瓣膜（如MEW復合TEHV）的有效開口面積（EOA）和跨瓣壓力梯度（TVPG）優(yōu)于臨床產品，但疲勞循環(huán)次數(shù)（最高4000萬次）尚未完全滿足ISO要求（2億次），顯示出在流體力學上的潛力與耐久性提升空間。

表1. 3D打印心臟瓣膜與商用瓣膜的流體力學性能對比

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2023.11.001