科學家3D 打印出逼真的心臟瓣膜模型

近日，發表在《Science Advances》上的一項新研究中，來自美國明尼蘇達大學的研究人員在美敦力公司的支持下，開發出一種突破性的技術，用多材料3D 打印出了逼真的心臟主動脈瓣和周圍結構模型，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，包括集成到結構中的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手術的準備工作，它將能改善全球成千上萬患者的預后。

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、明尼蘇達大學機械工程學教授Michael McAlpine 說：“我們使用這些3D 打印模型的目標是，通過提供針對患者的工具來幫助醫生了解特定患者心臟的確切解剖結構和機械特性，從而降低醫療風險和減少并發癥。醫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構和手術本身。”

這種器官模型主要用于幫助醫生為經導管主動脈瓣置換術(TAVR)做準備，該術將一個新的瓣膜置入到患者自己的主動脈瓣內。這種手術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 手術比心臟直視手術修復受損瓣膜的侵入性更小。

主動脈根部模型是通過對患者進行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行3D 打印。這種來自明尼蘇達大學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。當前市場上的商用打印機可以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，明尼蘇達大學的專業3D 打印機能夠通過打印類似于修補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。

醫生可以在手術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 打印傳感器為醫生提供的電子壓力反饋可用于指導和優化患者解剖結構內瓣膜的選擇和定位。

但是McAlpine 并不認為這是這類3D 打印模型的終點。

明尼蘇達大學機械工程系講席教授McAlpine 說：“隨著我們的3D 打印技術不斷改進，我們發現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1天，這些仿生器官會和生物學器官一樣，甚至更好。”