科学家3D打印出逼真的心脏瓣膜模型

来源：科技部

近几年来，3D打印技术可谓是突飞猛进的发展，几个月就上升一个新高度。近日，发表在《Science Advances》上的一项新研究中，来自美国明尼苏达大学的研究人员在美敦力公司的支持下，开发出一种突破性的技术，用多材料3D打印出了逼真的心脏主动脉瓣和周围结构模型，它可以模仿真实病人的外观和感觉。

这些特定于患者的器官模型，包括集成到结构中的3D打印软传感器阵列，是使用专用墨水和定制的3D打印过程制造的。这类模型可用于微创手术的准备工作，它将能改善全球成千上万患者的预后。研究人员3D打印了主动脉根部，主动脉根部是离心脏最近并与心脏相连的部分，由主动脉瓣和冠状动脉开口组成，具有三个瓣膜，称为小叶，被纤维环包围。该模型还包括左心室肌肉和升主动脉的一部分。

该研究通讯作者、明尼苏达大学机械工程学教授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来帮助医生了解特定患者心脏的确切解剖结构和机械特性，从而降低医疗风险和减少并发症。医生可以在实际操作前测试并试验瓣膜植入物。这些模型还可以帮助患者更好地了解自己心脏的解剖结构和手术本身。”

这种器官模型主要用于帮助医生为经导管主动脉瓣置换术(TAVR)做准备，该术将一个新的瓣膜置入到患者自己的主动脉瓣内。这种手术用于治疗主动脉瓣狭窄，这是老年群体中最常见的心血管疾病之一。TAVR手术比心脏直视手术修复受损瓣膜的侵入性更小。主动脉根部模型是通过对患者进行CT扫描来匹配确切形状而制成的。然后，研究人员使用专用的硅基墨水对该模型进行3D打印。这种来自明尼苏达大学可视心脏实验室的墨水能够与真实心脏组织的感觉相匹配。当前市场上的商用打印机可以3D打印出形状，但使用的墨水通常过于坚硬，无法与真实心脏组织的柔软度相匹配。

另一方面，明尼苏达大学的专业3D打印机能够通过打印类似于修补干墙和石膏的散斑膏的墨水来模拟模型的软组织成分，以及瓣膜上的硬钙化。医生可以在手术过程中使用这些模型来确定瓣膜装置的尺寸和位置。模型中集成的3D打印传感器为医生提供的电子压力反馈可用于指导和优化患者解剖结构内瓣膜的选择和定位。

但是McAlpine并不认为这是这类3D打印模型的终点。明尼苏达大学机械工程系讲席教授McAlpine说：“随着我们的3D打印技术不断改进，我们发现了集成电子元件来模拟器官功能的新方法，这些模型本身或许可以用作人工替代器官。也许有一天，这些仿生器官会和生物学器官一样，甚至更好。”

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/35/eabb4641