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【Science子刊】明尼苏达大学完成3D打印心脏瓣膜模型,模拟患者真实感受

首页 » 《转》译 2020-09-01 转化医学网 赞(8)
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导读
在未来的几十年中,世界将面临人口结构的转变和人口老龄化的挑战。人口老龄化增加了心血管疾病的患病率,心血管疾病是该年龄组人群的主要死亡原因。其中,非先天性主动脉瓣狭窄(AS)是老年人的常见心血管疾病之一。
  经导管主动脉瓣置换术(TAVR)是一种用于治疗主动脉瓣狭窄的微创手术,旨在通过导管输送系统将生物修复瓣膜植入患病的天然瓣膜来治疗该疾病。近日,美国明尼苏达大学的研究人员在美敦力公司的支持下,开发了一种突破性的工艺,将心脏主动脉瓣和周围结构的逼真模型进行多材质3D打印,模拟患者的真实外观和感受,有助于改善患者的预后。

  该研究于8月28日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志,题为“3D printed patient-specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications”。


  这些患者特定的器官模型,包括集成到结构中的3D打印软传感器阵列,是使用专门的墨水和定制的3D打印工艺制造的。

  研究人员3D打印了主动脉根部,主动脉根部是离心脏最近并与心脏相连的部分,由主动脉瓣和冠状动脉开口组成,具有三个瓣膜,称为小叶,被纤维环包围。该模型还包括左心室肌肉和升主动脉的一部分。


  患者特定的3D打印主动脉根部模型的概念和组件的概述。(A)主动脉根部植入TAVR假体的心脏示意图。AV,房室。(B)具有内部集成传感器阵列的3D打印主动脉根模型。图片来源:明尼苏达大学,Ghazaleh Haghiashtiani和Kaiyan Qiu。(C)主动脉根部模型的不同组分。钙化区域显示为黄色。膜隔的大致区域用蓝色标记指示。
  该研究的资深作者,明尼苏达大学的机械工程教授兼高级研究员Michael McAlpine表示:“我们使用这些3D打印模型的目标是通过提供特定于患者的工具,来帮助医生了解特定患者心脏的确切解剖结构和机械特性,从而降低医疗风险和并发症。医师可以在实际手术之前测试并试用瓣膜植入物。这些模型还可以帮助患者更好地了解自己的解剖结构和手术本身。”
  该器官模型经过专门设计,可帮助医生为“经导管主动脉瓣置换术”(TAVR)做准备,该手术将新瓣膜置于患者的主动脉瓣内。这种手术用于治疗主动脉瓣狭窄,这种情况发生在心脏主动脉瓣,阻止了瓣膜完全打开,从而减少或阻断从心脏流入主动脉的血流。主动脉瓣狭窄是老年人最常见的心血管疾病之一,在北美影响约270万75岁以上的成年人受到影响。TAVR手术比心脏直视手术修复受损瓣膜的创伤小。
  主动脉根部模型是通过患者的CT扫描来匹配确切形状而制成的。然后,使用明尼苏达大学可见心脏实验室的研究人员使用专用的有机硅基墨水对其进行3D打印,这种墨水与真实心脏组织的感觉相匹配。当前市场上的商用打印机可以3D打印形状,但使用的墨水通常过于坚硬,无法与真实心脏组织的柔软度相匹配。
  另一方面,明尼苏达大学的专业3D打印机能够通过打印类似于修补干墙和石膏的散斑膏的墨水来模拟模型的软组织成分,以及瓣膜上的硬钙化。
  医生可以在手术过程中使用这些模型来确定瓣膜装置的尺寸和位置。模型中3D打印的集成传感器为医生提供了电子压力反馈,可用于指导和优化患者解剖结构内瓣膜的选择和定位。
  但是McAlpine认为这并不是这类3D打印模型的终点。
  “随着我们的3D打印技术不断改进,并且我们发现了新的集成电子元件以模拟器官功能的新方法,这些模型本身可以用作人工替代器官,总有一天这些仿生器官会比它们的同类更好。”
  参考:
  【1】
  【2】
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