哈佛大学研究人员开发 3D 打印合成心脏瓣膜，可伴随儿童一起成长

导读：风湿热可能会损害儿童的心脏瓣膜，从而导致风湿性心脏病并导致更严重的健康问题，例如中风和心力衰竭。通过手术修复心脏瓣膜是可能的，但当你面对的是身体仍在生长的儿童时，这就变得更加困难。有时，需要进行多次侵入性手术才能用更大的瓣膜替换瓣膜，而生产人造心脏瓣膜的过程成本高昂且漫长。但哈佛大学的研究人员正在努力通过3D 打印合成心脏瓣膜来解决这个问题，这种新型瓣膜旨在与年轻患者一起生长，从而避免再进行额外的手术。

2023年7月3日，南极熊获悉，由凯文·基特·帕克博士领导的哈佛大学维斯生物工程研究所和约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 ( SEAS ) 的一个团队正在致力于创造这种革命性的儿科心脏瓣膜。它被称为FibraValve，可以在短短 10 分钟内通过称为PLCL 的聚己内酯 (PCL) 和聚乳酸 (PLA) 的定制组合，使用称为聚焦旋转喷射纺丝 (FRJS)的新方法进行 3D 打印。该技术允许将阀门的形状和性能定制至纳米级。

△FibraValve 和 FRJ 的图示出现在Matter的封面上。图片来源：哈佛大学维斯研究所

正如他们在最近发表在《Matter》期刊上的一篇题为“On-demand heart valve manufacturing using focused rotary jetspinning”的论文中所解释的那样，3D 打印的瓣膜在体外很容易被活细胞“殖民”。最终的大型动物模型研究由 Wyss苏黎世转化中心的合作者完成，并由 Wyss 副教员 SimonHoerstrup 博士领导。

相关论文链接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00243-6

△图片摘要

研究人员在论文中写道：“不幸的是，目前的心脏瓣膜置换术并不能与孩子一起成长，因此需要在儿科患者的一生中重复进行高风险手术。FibraValves 采用可生物降解的聚合物纤维制造，允许患者的细胞附着和重塑植入的支架，最终构建一个可以与孩子一起成长并终生生活的原生瓣膜，”。

Parker 和 Hoerstrup 近十年来一直致力于开发有生命的、可生长的心脏瓣膜，并于 2017 年生产了他们的第一个合成心脏瓣膜 JetValve。它是使用早期版本的 FRJS 制造的，其中生物相容性合成聚合物通过喷嘴并纺成长纳米纤维，这些纤维收集在阀门形状的心轴上，以快速生产生物相容性阀门。两人成功地将他们的 JetValve 植入绵羊的心脏，它在那里正常工作并聚集活细胞来再生新组织，但他们知道他们可以改进最初的设计。

对于新的 FibraValve，研究团队设计了一个阀形框架，并使用 FRJS 添加了空气喷射流，使框架充满液体聚合物。这使得可以轻松调整最终形状，并提高纤维沉积到心轴上的速率。结果是一种合成的 3D 打印设备，具有网状纳米纤维网络，可以让细胞渗透和生长。

该研究的资深作者、哈佛大学生物工程教授 Parker解释道： “细胞在纳米尺度上运作，3D 打印无法达到这个水平，但集中旋转喷射纺丝可以在其中放置纳米尺度的空间线索。这样，当细胞爬进支架时，它们感觉就像在心脏瓣膜中，而不是合成支架中。”

△FibraValve 由聚合物纤维长丝组成，复制了人类心脏瓣膜的物理特性，并且具有足够的多孔性，可以让细胞渗透并用活组织替换支架。图片来源：哈佛大学维斯研究所

此外，该团队定制的 PLCL 聚合物材料不仅可以改善 FibraValve 进入体内后活细胞的渗透，而且还可以生物降解。FibraValve比其前身更具弹性，并且还允许细胞在整个支架上更均匀地分布。该团队还优化了瓣膜内部“小叶”的形状，以减少通过瓣膜漏回的血液量。通过所有这些改进，FibraValve 实际上可以自我重塑，这就是为什么它对于心脏仍在生长的儿科心脏瓣膜疾病患者非常有用。另外，打印一个只需要几分钟，因此它已经准备好被活细胞定殖。

Parker说：“这项研究说明了FibraValves 作为患有瓣膜疾病的儿童的解决方案的潜力。我们的目标是让患者的原生细胞使用该设备作为蓝图来再生自己的活瓣膜组织，但 FRJS 也有潜力作为未来制造其他医疗设备的平台。”

△聚合物和聚焦空气射流被迫通过纺丝装置，聚合物纤维聚集在阀形心轴上形成 FibraValve。图片来源：哈佛大学维斯研究所

苏黎世的 Hoerstrup 团队将3D 打印的 FibraValve 植入活羊的心脏中，它立即开始发挥作用，小叶打开和关闭，以实现每次心跳时血流的调节。一小时后，研究人员观察到称为纤维蛋白的蛋白质沉积在瓣膜外部，红细胞和白细胞渗透到其多孔支架中，没有发现副作用、血栓形成或任何其他问题的迹象。现在，该团队期待在长期动物测试中评估 FibraValve 的性能和再生能力。

Hoerstrup 说：“从临床角度来看，FibraValve 的这些首次体内测试结果很有希望，并激励我们启动进一步的临床前评估。”

研究人员相信，他们的 3D 打印心脏瓣膜置换方法最终可能会应用到更多定制化的植入式医疗设备中，例如血管、其他瓣膜和心脏补片。