墨水直写3D打印：制造具有真实机械特性的主动脉模型

导读：增材制造(AM)可用于生产人工主动脉模型，用于主动脉瓣置换(TAVR)手术的培训或研究。通过增材制造，模型可以根据患者的主动脉解剖结构进行个性化定制。到目前为止，现有的模型大多是使用单一的橡胶类材料制造的。这种材料不能复制天然主动脉组织的机械特性，特别是在高应变（>0.1）区域的应力-应变反应。使用不能真实反应主动脉特性的模型进行手术训练对于外科医生来说存在一定的问题。

2022年5月，南极熊获悉，KTH皇家理工学院材料科学与工程系、苏黎世联邦理工学院机械与工艺工程系复合材料与适应性结构实验室的研究者开发了一个3D打印的具有真实机械特性的主动脉模型，材料包括明胶纤维和硅胶。该模型有望成为模拟TAVR手术的主动脉的真实模拟物。他们的研究已经发表在《 Materials Letters》上。


研究人员事先用医学影像学分析了计算机断层扫描数据，以确定特定病人的主动脉窦和周围血管的解剖结构。所设计的新型硅胶基质复合材料用明胶纤维增强，与主动脉组织的应力应变反应进行了测试和比较。结果表明这样的模型不仅能反应患者的真实的动脉结构，也具有主动脉组织的特性，对开发下一代医学模型很有帮助。



△研究过程示意图

研究过程可以简短的概括为：从计算机断层扫描数据中提取患者的特定几何形状，进行主动脉模型的制造。利用DIW制造了硅胶复制品。随后，生产明胶纤维并将其包裹在硅胶模型上，以模拟天然主动脉组织的典型应力-应变行为。


△针对明胶纤维生产开发的实验室装置，包括长丝卷绕器、含有明胶溶液的筒状物、加热枪和压力控制器。


△（a) 三维打印的硅胶主动脉模型 (b) 后处理后的GFRS主动脉模型 (c) 用明胶纤维加固的打印硅胶模型 (d)材料的拉伸试验结果与其他报告的高应变区的数值（Vf=纤维的体积分数）

总结
研究人员使用单向明胶纤维增强的硅胶复合材料成功地制造了一个具有机械代表性的3D打印主动脉模型。明胶纤维以不同体积分数沉积在打印的硅胶模型内，可以反应主动脉组织中真实的应力-应变情况。这将使该模型成为TAVR的有效手术培训工具，因为主动脉中的不同结构的机械情况更符合实际情况。


更多内容请下载原文查看： https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132396