海藻酸盐3D打印全尺寸成人心脏模型，适用手术缝合练习

2020年11月27日，南极熊获悉，卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种新的3D生物打印方法，可以制造逼真的全尺寸人类心脏模型。

他们研究的“悬浮水凝胶自由可逆嵌入技术（FRESH）”，将环保型藻酸盐聚合物挤出到定制的明胶容器中。研究团队希望与外科医生合作，为手术训练和预演应用创建针对患者的临床模型。

项目的负责人Adam Feinberg教授说：“外科医生可以对心脏模型进行操纵，并像真实的组织一样做出反应。”因此，3D打印的模型不仅可以用于可视化手术规划，还可以用于物理实践。”

“FRESH”3D打印新方法

越来越多的外科医生正在采用3D打印作为开发定制模型的方法。

目前，诸如立体光刻（SLA）和熔融沉积建模（FDM）之类的常见3D打印技术正在用于再现逼真的器官。尽管这样的方法通常已取得了积极的成果，但迄今为止，它们的广泛采用受到成本和制造它们所需专业知识水平的限制。

为了克服这些限制，Feinberg教授和他的同事们花了两年时间研究如何以全尺寸打印人类心脏模型，并提出了“FRESH”方法。新技术首先从MRI扫描和其他扫描过程中收集的数据来设计准确的3D模型。

然后使用直径250微米的针头打印最终的设计，针头将藻酸盐挤出到定制的容器中，容器的大小足以容纳完整尺寸的复制品。最终发现他们的新方法可以产生比以前更耐用的模型，从而有可能更有效地用作外科手术训练工具。

△Feinberg和他的团队制造的全尺寸3D打印成人心脏模型，图片来自卡内基梅隆大学

3D打印的全尺寸手术模型

在3D打印过程中，科学家们采用海藻酸盐作为模型的主要材料，因为它与有机心脏组织的质地和机械性能非常相似。更重要的是，TPU和硅胶等较软的材料在重力作用下会出现变形，因此刚性稍强的海藻酸盐成为更适合的选择。

在制造出一系列原型后，研究人员在明胶容器内对它们进行了12小时的后处理，然后将它们放入培养箱中过夜，以去除它们的明胶支撑。3D打印的心脏模型准备好后，Feinberg和团队成员就开始测试它们，看看聚合物在被缝合时能被拉伸多远。

结果表明，海藻酸盐具有足够的拉伸强度，可以制作成心脏模型供外科医生练习。然后，研究人员继续使用FRESH方法制造由充满假血的冠状动脉组成的小型模型，这些模型也可以用于训练外科医生。

研究人员总结说，他们的3D模型适合作为外科训练工具，用于练习缝合，以及其他可在真实人类心脏上进行的操作。总的来说，这个项目可以开辟其他的研究途径，未来，团队希望他们的FRESH方法能够开发出一种生物医学测试工具。

△图片显示了四张扫描图，第一张图片显示的是基于MRI扫描的心脏，最后一张图片是使用藻酸盐的全尺寸FRESH打印的心脏模型，图片来自卡内基梅隆大学

3D打印和以前的心脏事项

近年来，科学家们纷纷采用3D打印的方式来制作逼真的器官模型，拓宽了我们对人体的认识。

2020年7月，明尼苏达大学开发了一种新的生物墨水，帮助他们用含有细胞的生物材料制造了一个功能性的3D打印心脏跳动。新型材料使他们能够3D打印出具有更多腔室、心室和高细胞壁厚度的主动脉复制品。

今年早些时候，德克萨斯大学埃尔帕索分校(UTEP)和德克萨斯理工大学健康科学中心埃尔帕索分校(TTUHSC El Paso)的生物医学研究人员共同合作，3D打印迷你心脏。这些充满细胞的结构被送往国际空间站（ISS），以研究微重力如何影响人类心脏的功能。

同样在2018年，郑州大学的一组医生对一组25名患者进行了研究，以强调3D打印的解剖模型如何用于心脏手术。团队最终利用CT扫描开发了一个可以按1:1比例3D打印的患者特定模型。

全尺寸3D打印心脏的研究论文名为 “FRESH 3D Bioprinting a Full-Size Model of the Human Heart.”。该论文由Eman Mirdamadi、Joshua W. Tashman、Daniel J. Shiwarski、Rachelle N. Palchesko和Adam W. Feinberg共同撰写。


编译自：3dprintingindustry