3D打印制备纤维增强主动脉模型

来源：上普生物


3D打印技术因其成型自由度高、快速及个性化制造等优点，已广泛应用于临床诊断、手术规划、组织工程支架和假体植入物的制造等医学研究中。近日， 苏黎世联邦理工学院 Paolo Ermanni 团队 在 Materials Letters 期刊发表题为“ 3D printed mechanically representative aortic model made of gelatin fiber reinforced silicone composite ”的文章，报道了一种利用3D打印技术，由明胶纤维增强的硅胶复合材料制备，具有仿生应力应变行为的主动脉模型。

背景介绍
主动脉瓣狭窄是一种常见的老年性退行性心瓣膜疾病。对严重主动脉瓣狭窄患者，经导管主动脉瓣置换术（Transcatheter Aortic Valve Replacement，TAVR）是一种有效的治疗手段。该技术通过股动脉送入介入导管，将人工心脏瓣膜输送至主动脉瓣区打开，从而完成人工瓣膜置入，恢复瓣膜功能。在上述过程中，选择具有合适几何形状的TAVR瓣膜对于手术治疗成功具有重要意义。因此，外科医生需要在手术前对患者主动脉结构进行分析，并为每位患者选择尺寸合适的心脏瓣膜。

目前已有研究通过计算机断层扫描（CT）数据实现主动脉瓣的三维重建，利用3D打印技术制造个体患者的主动脉模型。但现有主动脉模型研究大多采用单一橡胶类材料制造，这种模型仅能复现患者主动脉结构，不能模拟天然主动脉组织的典型J形应力应变行为。因此，无法为外科医生提供真实反应主动脉特性的手术规划模型。

在本研究中，Paolo Ermanni团队构建了一种明胶纤维增强的新型硅基复合材料，开发了单向明胶纤维的制备技术，利用3D打印技术制备了兼具患者特定几何形状且主动脉组织真实材料特性的手术规划模型。

实验过程与结果

1、患者主动脉解剖结构构建
基于患者心脏的CT图像，使用Mimics医学图像处理软件，将“医学数字图像和通信”（DIACOM）数据转换为计算机辅助设计文件，分析匿名患者心脏的计算机断层扫描图像。使用三维可视化软件3-matic用于处理从DIACOM 提取的几何图形，实现患者主动脉模型的三维重建。

图1. 患者主动脉解剖结构三维构建

2 、 3D 打印制备主动脉硅胶模型
硅胶墨水由Dragon Skin 30、SLO-JO缓凝剂和亲水性气相法二氧化硅混制而成，牺牲墨水选用Nivea Cream。基于双喷头3D打印机，使用硅胶墨水打印模型结构部分、牺牲墨水打印支撑结构部分。每打印两层，使用红外灯进行60秒的光固化。打印完成后，用纯水清洗去除支撑结构。

图2. 基于双喷头3D打印制备主动脉硅胶模型

3 、定向明胶纤维增强的复合模型制备
研究者使用下图3中自制的明胶纤维收集装置。将制备的明胶纤维按照一致的取向手动分配在硅胶模型外侧，并进一步将复合模型浸入硅胶墨水中，用硅胶墨水覆盖上述明胶纤维。综上，研究者采用3D打印硅胶模型、缠绕定向明胶纤维、浸涂硅胶外层的方法，制备“三明治”夹层结构、明胶纤维增强的主动脉复合模型。

图3. 用于制备明胶纤维的自制装置

图4. 制备明胶纤维增强的硅胶复合模型

4 、复合模型机械性能表征
为了制备与病变主动脉组织匹配的力学行为，对不同纤维体积分数的明胶纤维增强的硅胶复合材料进行了测试，并与真实人体主动脉组织进行比较。明胶纤维增强的硅胶复合材料的力学拉伸结果展现出明显的J形应力-应变曲线。明胶纤维体积分数在10%到15% 之间的复合材料与本研究中所测81岁人类主动脉组织的力学行为接近。此外，可以通过调整“三明治”夹层结构中明胶纤维的方向来模拟不同区域的力学各向异性行为。

图5. 制备明胶纤维增强的硅胶复合模型

结论
本研究使用硅胶为基质材料、定向明胶纤维为增强相，制备了 “三明治”夹层结构的3D打印主动脉复合模型。通过改变沉积于复合模型中明胶纤维的比例调整模型力学特性，以模拟主动脉组织必要的J形应力-应变机械响应。在未来研究中，研究者规则进一步改进模型中明胶纤维的精确分配，使该模型成为TAVR手术规划中的有效训练工具。

参考文献
Kuthe S、Schlothauer A、Bodkhe S 等人。 明胶纤维增强有机硅复合材料3D打印机械代表性主动脉模型[J]. 材料快报，2022：132396。https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132396