研究人员3D打印逼真的心脏瓣膜模型

3D打印前沿
2020
08/31
17:47
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2020年8月31日,南极熊获悉,明尼苏达大学的研究人员在美敦力公司的支持下,开发出了一种突破性的工艺,用于多材料3D打印逼真的心脏模型。

研究人员可以打印出栩栩如生的心脏主动脉瓣和周围结构的模型,模仿真实患者的确切外观和感觉。

这些特殊病人的器官模型,包括集成到结构中的3D打印软传感器阵列,使用专门的油墨和定制的3D打印工艺制造。这种模型可用于准备微创手术,以改善全球成千上万患者的治疗效果。

这项研究发表在美国科学促进会(AAAS)出版的科学杂志《Science Advances》上。


研究人员3D打印了主动脉根部,即最靠近心脏并与心脏相连的主动脉部分。主动脉根部由主动脉瓣和冠状动脉的开口组成。主动脉瓣有三个瓣膜,称为小叶,周围有一个纤维环。这个模型还包括部分左心室肌肉和升主动脉。

明尼苏达大学机械工程教授和该研究的高级研究员Michael McAlpine说:"我们使用这些3D打印模型的目标是通过提供针对患者的工具,帮助医生了解特定患者心脏的确切解剖结构和机械性能,以降低医疗风险和并发症,医生可以在实际手术前测试和试用瓣膜植入物。这些模型还可以帮助患者更好地了解自己的解剖结构和手术。"

这种器官模型是专门设计的,以帮助医生为经导管主动脉瓣膜置换术(TAVR)的手术做准备,在手术中,新的瓣膜被放置在患者的原生主动脉瓣内。该手术用于治疗一种叫做主动脉瓣狭窄的疾病,当心脏的主动脉瓣变窄并阻止瓣膜完全打开时,会减少或阻止血液从心脏流入主动脉。主动脉瓣狭窄是老年人最常见的心血管疾病之一,在北美,约有270万75岁以上的成年人受到影响。与开胸手术相比,TAVR手术修复受损瓣膜的创伤性较小。

主动脉根部模型是通过使用患者的CT扫描来制作的,可以获得准确的形状。他们使用专门的硅基油墨进行3D打印,匹配真实心脏组织的感觉。目前市场上的商用打印机可以3D打印形状,但使用的墨水往往过于僵硬,无法与真实心脏组织的柔软度相匹配。

明尼苏达大学能够通过打印一种类似于建筑中的墨水,既能模仿模型的软组织成分,也能模仿瓣膜瓣上的硬性钙化。

医生可以在手术过程中使用这些模型来确定瓣膜装置的大小和位置。在模型内3D打印的集成传感器为医生提供了电子压力反馈,可用于指导和优化瓣膜在患者解剖结构中的选择和定位。

明尼苏达大学机械工程系McAlpine教授:"随着我们的3D打印技术不断提高,我们发现了整合电子技术以模拟器官功能的新方法,这些模型本身可能会被用作人工替代器官。有朝一日,也许这些'仿生'器官可以和生物对应器官一样好,甚至比它们更好。"

除了McAlpine之外,该团队还包括明尼苏达大学的研究人员Ghazaleh Haghiashtiani,他是共同第一作者,也是一名刚毕业的机械工程博士生,现在在希捷公司工作;Kaiyan Qiu,另一位共同第一作者,也是一名前机械工程博士后研究员,现在是华盛顿州立大学的助理教授;Jorge D. Zhingre Sanchez,前生物医学工程博士生。Jorge D. Zhingre Sanchez,曾在明尼苏达大学可见心脏实验室工作,现为美敦力高级研发工程师;Zachary J. Fuenning,机械工程研究生;Paul A. Iaizzo,医学院外科教授,也是明尼苏达大学可见心脏实验室的创始主任;Priya Nair,美敦力高级科学家;Sarah E. Ahlberg,美敦力研究与技术总监。

更详细的研究内容请阅读题为 "3D printed patient-specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications"的完整研究论文。




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