研究人员3D打印逼真的心脏瓣膜模型

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。