哈佛大学研究人员开发3D打印合成心脏瓣膜，可伴随儿童一起生长，减少手术次数

导读：风湿热可能会损害儿童的心脏瓣膜，导致风湿性心脏病、中风和心力衰竭。如今，通过手术修复心脏瓣膜是可能的，但如果患者是身体仍在生长的儿童，问题就变得十分困难。有时，需要进行多次侵入性手术才能用更大的瓣膜进行替换，而生产人造心脏瓣膜的过程成本高昂且漫长。为了解决上述问题，来自哈佛大学的研究人员正在努力通过3D打印技术合成心脏瓣膜，该瓣膜能够与年轻患者一起生长，从而消除额外的手术。



2023年7月，南极熊获悉，哈佛研究团队正在致力于创造这种革命性的儿童心脏瓣膜，称为 FibraValve，可以在短短 10 分钟内通过称为 PLCL 的聚己内酯 (PCL) 和聚乳酸 (PLA) 的材料进行组合，使用聚焦旋转喷射纺丝 (FRJS)的新方法进行 3D 打印，该技术允许将结构定制至纳米级。



研究人员在研究中写道：“不幸的是，目前的心脏瓣膜置换术并不能与孩子一起成长，因此需要在儿科患者的一生中重复进行高风险手术。FibraValves 采用可生物降解的聚合物纤维制造，允许患者的细胞附着和重塑植入的支架，最终构建一个可以与孩子一起成长并终生生活的原生瓣膜。”

研究主任Parker 和 Hoerstrup 近十年来一直致力于开发活的、生长的心脏瓣膜，并于 2017 年生产了他们的第一个合成心脏瓣膜 JetValve。这是使用早期版本的 FRJS 制造的，其中生物相容性合成聚合物通过喷嘴并纺成长纳米纤维，这些纤维收集在阀门形状的心轴上，以快速生产生物相容性阀门。两人成功地将他们的 JetValve 植入了绵羊的心脏，该心脏能够在那里正常工作并聚集活细胞再生新组织，但这仍有改进的空间。



对于新的 FibraValve，研究团队设计了一个阀形框架，使用 FRJS 的同时添加了空气喷射流，使框架充满液体聚合物。这可以轻松调整最终形状，并提高纤维沉积到心轴上的速率，最终得到了一种合成的3D打印结构，具有网状纳米纤维网络，可以让细胞渗透和生长。

该研究的资深作者、哈佛大学生物工程教授 Parker解释道： “细胞在纳米尺度上运作，3D 打印无法达到这个水平，但集中旋转喷射纺丝可以在其中放置纳米尺度的空间结构。这样，当细胞进入支架时，它们感觉就像在心脏瓣膜中，而不是合成支架中。”


△FibraValve 由聚合物纤维长丝组成，复制了人类心脏瓣膜的物理特性，并且具有足够的多孔性，可以让细胞渗透并用活组织替换支架。

此外，该团队定制的 PLCL 聚合物材料不仅可以改善 FibraValve 进入体内后活细胞的渗透，而且还可以生物降解。FibraValve 比其前身更具弹性，还允许细胞在整个支架上更均匀地分布。该团队还优化了瓣膜内部“小叶”的形状，以减少通过瓣膜漏回的血液量。通过所有这些改进，FibraValve 可以实现自我重塑，对于心脏仍在生长的儿童心脏瓣膜疾病患者非常有用。

Parker说：“这项研究说明了 FibraValves 作为患有瓣膜疾病的儿童的解决方案的潜力，我们的目标是让患者的原生细胞使用该设备作为蓝图来再生自己的活瓣膜组织，但 FRJS 也有潜力作为未来制造其他医疗设备的平台。”


△聚合物和聚焦空气射流被迫通过纺丝装置，聚合物纤维聚集在阀形心轴上形成 FibraValve。

苏黎世的 Hoerstrup 团队将 3D 打印的 FibraValve 植入活羊的心脏中，它立即开始发挥作用，小叶打开和关闭，以实现每次心跳时血流的调节。一小时后，研究人员观察到称为纤维蛋白的蛋白质沉积在瓣膜外部，红细胞和白细胞渗透到其多孔支架中，没有发现副作用、血栓形成或任何其他问题的迹象。现在，该团队期待在长期动物测试中评估 FibraValve 的性能和再生能力。Hoerstrup 说：“从临床角度来看，FibraValve 的这些首次 体内结果很有希望，并激励我们启动进一步的临床前评估。”

研究人员相信，他们的 3D 打印心脏瓣膜置换方法最终可能会带来更多定制化的植入式医疗设备，例如血管、其他瓣膜和心脏补片。