综述《Trends in Biotechnology》：3D 打印心脏瓣膜

来源：EFL生物3D打印与生物制造

心脏瓣膜疾病是现代重要健康负担，目前临床常用的机械瓣膜和生物瓣膜存在需终身抗凝、结构易退化等问题，而聚合物瓣膜和组织工程瓣膜尚未实现主流临床应用。来自西澳大学Elena M. De-Juan-Pardo团队在《Trends in Biotechnology 》期刊上发表文章“3D printing of heart valves”，综述了3D打印心脏瓣膜的研究进展，聚焦于利用该技术制造患者特异性模具之外的研究。文中探讨了人工心脏瓣膜在流体力学、耐久性、生物相容性及经导管植入兼容性方面的关键要求，分析了立体光刻、直接墨水书写等3D打印技术在心脏瓣膜工程中的应用，参考ISO标准评估了这些瓣膜的功能。研究指出，3D打印技术在制造复杂结构、多材料组装及仿生结构方面展现出前所未有的潜力，有望对人工心脏瓣膜的研发产生重大积极影响并可能实现完全复杂功能。

研究内容
通过示意图及公式推导，研究了经瓣膜压力梯度（TVPG）、有效孔面积（EOA）、总反流分数（TRF）在主动脉瓣位置的计算方法及临床意义。结果表明，3D 打印瓣膜需满足 ISO 标准中 EOA≥1.15 cm²、TRF≤20% 等核心指标，部分 3D 打印瓣膜（如 MEW 复合瓣膜）的 EOA 和 TVPG 已接近或优于健康瓣膜水平，但长期耐久性仍待提升。通过汇总不同技术的材料、细胞类型及研究时间，研究了SLA、DIW、MEW等技术在TEHV和PHV中的适用场景。结果显示，TEHV以水凝胶和可降解聚合物为主，侧重细胞相容性；PHV多用硅基和聚氨酯材料，强调力学耐久性，且DIW和MEW技术在多材料集成与结构精准控制中表现突出。

图1. 通过ISO 5840评估的主要水动力指标示意图

图2. 工程心脏瓣膜用3D打印技术的工作原理示意图

1. 3D打印心脏瓣膜-立体光刻（SLA）和直接墨水书写（DIW）
通过设计均质/异质水凝胶结构、细胞封装及仿生硅基框架，研究了SLA和DIW技术在瓣膜力学性能与流体动力学的表现。结果显示，SLA异质水凝胶瓣膜经Fe³⁺强化后抗疲劳循环次数提升超17倍，DIW硅基PHV通过4000万次循环测试，流体力学指标（EOA、TRF）符合ISO标准，且含细胞的DIW瓣膜可促进细胞存活与基质沉积。

图3. 基于立体光刻（SLA）和直接墨水书写（DIW）的3D打印心脏瓣膜   

2. 3D打印心脏瓣膜-生物绘图（Bioplotting）和熔融电写（MEW）
通过胶原蛋白生物墨水打印、脱细胞处理及仿生纤维结构设计，研究了生物绘图和MEW技术在瓣膜仿生结构与生物相容性的应用。结果表明，生物绘图技术可构建完整心脏模型，但流体力学性能待优化；MEW仿生胶原纤维瓣膜力学性能接近天然组织，复合水凝胶后流体循环测试表现优于部分临床瓣膜，且大鼠体内实验显示支架可促进细胞浸润与胶原沉积。      

图4. 基于生物绘图（Bioplotting）和熔融电写（MEW）的3D打印心脏瓣膜   

3. 3D打印心脏瓣膜与商用瓣膜的流体力学性能对比
通过对比ISO标准下的关键指标（EOA、TRF、TVPG），研究了3D打印瓣膜与市售机械瓣、生物瓣的功能差异。结果表明，部分3D打印瓣膜（如MEW复合TEHV）的有效开口面积（EOA）和跨瓣压力梯度（TVPG）优于临床产品，但疲劳循环次数（最高4000万次）尚未完全满足ISO要求（2亿次），显示出在流体力学上的潜力与耐久性提升空间。

表1. 3D打印心脏瓣膜与商用瓣膜的流体力学性能对比

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2023.11.001