3D打印生长型心脏瓣膜，有望实现“一次植入、终身不换”

导读：人工心脏瓣膜作为一种常见的替代器官，在治疗心血管疾病方面发挥着很大作用，但目前传统方法制备的心脏瓣膜的只能维持有限的年限，因此需要多次更换，这不免对患者有产生二次伤害的风险。因此，生长型医用替代器官是未来医学界亟需攻克的方向。

2022年3月16日，南极熊获悉，慕尼黑工业大学(TUM)和西澳大利亚大学的研究人员正在开发一种由3D打印的人工心脏瓣膜，它主要由患者自身的细胞制成，可随着人体年龄的增长而生长。南极熊认为，这种新型的生物打印方法有望克服当前人工心脏瓣膜制造技术的缺点。

研究团队在TUM教授PetraMela和西澳大利亚大学的Elena De-Juan-Pardo的领导下，利用熔融电铸3D打印工艺，创造出由患者自身细胞组成的多孔支架，这些细胞可以随着患者的生长而生长。

△3D打印的心脏瓣膜。图片来自先进功能材料公司。

熔融电铸3D打印

熔融电铸是一种先进的增材制造技术，它能够沉积预定的微米级纤维，通过结合应用电场、温度和压力来实现带电熔融聚合物的喷射成形。

研究人员使用该技术以极高的精度，在预定的模式下沉积了不到人类头发厚度十分之一的微纤维，使所产生的纤维支架具有精细的特征。

与其他纤维形成技术（如传统电铸）相比，熔体电铸具有明显的优势，因为它能够制造出具有可调控机械性能、大孔径和图案的支架，用于广泛的应用，包括植入组织工程和疾病建模。

该技术之前已经在生物医学领域得到了部署，麻省理工学院已经用它来培养具有特殊特性的高度均匀的细胞培养物，乌特勒支大学医学中心（UMC）也用它来制作三维生物打印组织，可以植入到受关节炎影响的活体关节。

熔融电铸还为昆士兰科技大学开发的具有 "眼睛和大脑 "的3D打印机提供动力，该打印机整合了人工智能（AI）和机器学习（ML），以制造定制的医疗植入物。

△带有改进的心轴收集器设置的熔融电写设备的3D模型。图片来自先进功能材料。

3D打印人工心脏瓣膜

根据世界卫生组织（WHO）的数据，心血管疾病是全球死亡的主要原因，其中瓣膜性心脏病是全球心血管疾病的第三大因素。

目前，如果受损的心脏瓣膜无法修复，目前的治疗方法包括植入人工瓣膜，理想情况下，人工瓣膜应在患者的整个生命中保持不变。然而，这种瓣膜的寿命是有限的，因此患者必须接受多种手术干预来更换瓣膜。这个问题在年轻的儿科病人中尤其普遍，因为他们在身体成长过程中需要新的瓣膜。

该研究小组的心脏瓣膜组织工程的再生方法，试图通过制造一种能够与病人一起生长和重塑的瓣膜，来克服目前机械和生物瓣膜假体的限制。为了实现这一目标，他们需要打印出具有足够孔隙度的支架，使细胞能够渗入结构并茁壮成长。

该团队使用内部的熔融电铸3D打印机创建心脏瓣膜植入物，模仿个别患者自身主动脉心脏瓣膜的各种组织结构。他们的数字平台3D打印出复杂的图案，然后与管状微孔水凝胶支架组合在一起。

打印出来的结构能够承受心脏瓣膜的苛刻功能，同时保持足够的多孔性，允许病人自己的细胞在支架上定居和增殖。该团队通过创建一个模拟循环系统，并使其承受与天然心脏瓣膜相同的压力和流速，来测试其人工心脏瓣膜的能力。

据该团队称，测试阶段的结果是有希望的，且瓣膜是符合ISO标准的。虽然结果令人鼓舞，但研究小组承认，测试并不能预测瓣膜的长期功能，为此将进行体内研究，以评估支架的重塑过程和降解率，以及其他因素。

目前，研究人员认为他们的3D打印心脏瓣膜展示了一个现成的完整心脏瓣膜结构的前沿概念证明，这可能为其他软组织工程应用铺平道路。

△用于心脏瓣膜组织工程的管状、空间异质性支架的设计和制造。图片来自高级功能材料。

关于这项研究的更多信息可以在《先进功能材料》杂志上发表的题为 "Spatiallyheterogeneous tubular scaffolds for in situ heart valve tissue engineeringusing melt electrowriting"的论文中找到。这项研究的共同作者是N.Saidy, A. Fernandez-Colino, B. Heidari, R. Kent, M. Vernon, O. Bas, S.Mulderrig, A. Lubig, J. Rodriguez-Cabello, B. Doyle, D. Hutmacher, E.De-Juan-Pardo, and P. Mela。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202110716

随着生物打印能力的提高，增材制造此前已经多次被证明可以用于类似的心脏相关再生医学应用。

早在2020年，明尼苏达大学的研究人员与医疗技术公司美敦力合作，开发了可定制的3D打印病人特定心脏瓣膜模型。这些模型旨在帮助外科医生更好地准备微创外科手术，以改善心血管患者的治疗效果。

大约在同一时间，卡内基梅隆大学的研究人员开发了他们自己的3D生物打印方法，以生产全尺寸的人类心脏模型，用于手术培训和规划应用。

最近，来自中国科学院的研究人员利用一个被转换为3D生物打印机的六轴机械臂，3D打印了一颗跳动的心脏，并保持了六个月的活力。据该团队称，3D打印的心脏组织可以展示未来生物打印功能组织和器官的可行方法。