3D打印生長型心臟瓣膜，有望實現“一次植入、終身不換”

魔猴君  行業資訊   946天前

導讀：人工心臟瓣膜作為一種常見的替代器官，在治療心血管疾病方面發揮著很大作用，但目前傳統方法制備的心臟瓣膜的只能維持有限的年限，因此需要多次更換，這不免對患者有產生二次傷害的風險。因此，生長型醫用替代器官是未來醫學界亟需攻克的方向。

2022年3月16日，慕尼黑工業大學(TUM)和西澳大利亞大學的研究人員正在開發一種由3D打印的人工心臟瓣膜，它主要由患者自身的細胞制成，可隨著人體年齡的增長而生長。南極熊認為，這種新型的生物打印方法有望克服當前人工心臟瓣膜制造技術的缺點。研究團隊在TUM教授PetraMela和西澳大利亞大學的Elena De-Juan-Pardo的領導下，利用熔融電鑄3D打印工藝，創造出由患者自身細胞組成的多孔支架，這些細胞可以隨著患者的生長而生長。

△3D打印的心臟瓣膜。圖片來自先進功能材料公司。

熔融電鑄3D打印

熔融電鑄是一種先進的增材制造技術，它能夠沉積預定的微米級纖維，通過結合應用電場、溫度和壓力來實現帶電熔融聚合物的噴射成形。

研究人員使用該技術以極高的精度，在預定的模式下沉積了不到人類頭發厚度十分之一的微纖維，使所產生的纖維支架具有精細的特征。與其他纖維形成技術（如傳統電鑄）相比，熔體電鑄具有明顯的優勢，因為它能夠制造出具有可調控機械性能、大孔徑和圖案的支架，用于廣泛的應用，包括植入組織工程和疾病建模。

該技術之前已經在生物醫學領域得到了部署，麻省理工學院已經用它來培養具有特殊特性的高度均勻的細胞培養物，烏特勒支大學醫學中心（UMC）也用它來制作三維生物打印組織，可以植入到受關節炎影響的活體關節。

熔融電鑄還為昆士蘭科技大學開發的具有 "眼睛和大腦 "的3D打印機提供動力，該打印機整合了人工智能（AI）和機器學習（ML），以制造定制的醫療植入物。

△帶有改進的心軸收集器設置的熔融電寫設備的3D模型。圖片來自先進功能材料。

3D打印人工心臟瓣膜

根據世界衛生組織（WHO）的數據，心血管疾病是全球死亡的主要原因，其中瓣膜性心臟病是全球心血管疾病的第三大因素。

目前，如果受損的心臟瓣膜無法修復，目前的治療方法包括植入人工瓣膜，理想情況下，人工瓣膜應在患者的整個生命中保持不變。然而，這種瓣膜的壽命是有限的，因此患者必須接受多種手術干預來更換瓣膜。這個問題在年輕的兒科病人中尤其普遍，因為他們在身體成長過程中需要新的瓣膜。

該研究小組的心臟瓣膜組織工程的再生方法，試圖通過制造一種能夠與病人一起生長和重塑的瓣膜，來克服目前機械和生物瓣膜假體的限制。為了實現這一目標，他們需要打印出具有足夠孔隙度的支架，使細胞能夠滲入結構并茁壯成長。

該團隊使用內部的熔融電鑄3D打印機創建心臟瓣膜植入物，模仿個別患者自身主動脈心臟瓣膜的各種組織結構。他們的數字平臺3D打印出復雜的圖案，然后與管狀微孔水凝膠支架組合在一起。

打印出來的結構能夠承受心臟瓣膜的苛刻功能，同時保持足夠的多孔性，允許病人自己的細胞在支架上定居和增殖。該團隊通過創建一個模擬循環系統，并使其承受與天然心臟瓣膜相同的壓力和流速，來測試其人工心臟瓣膜的能力。

據該團隊稱，測試階段的結果是有希望的，且瓣膜是符合ISO標準的。雖然結果令人鼓舞，但研究小組承認，測試并不能預測瓣膜的長期功能，為此將進行體內研究，以評估支架的重塑過程和降解率，以及其他因素。

目前，研究人員認為他們的3D打印心臟瓣膜展示了一個現成的完整心臟瓣膜結構的前沿概念證明，這可能為其他軟組織工程應用鋪平道路。

△用于心臟瓣膜組織工程的管狀、空間異質性支架的設計和制造。圖片來自高級功能材料。

關于這項研究的更多信息可以在《先進功能材料》雜志上發表的題為 "Spatiallyheterogeneous tubular scaffolds for in situ heart valve tissue engineeringusing melt electrowriting"的論文中找到。這項研究的共同作者是N.Saidy, A. Fernandez-Colino, B. Heidari, R. Kent, M. Vernon, O. Bas, S.Mulderrig, A. Lubig, J. Rodriguez-Cabello, B. Doyle, D. Hutmacher, E.De-Juan-Pardo, and P. Mela。

相關論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202110716

隨著生物打印能力的提高，增材制造此前已經多次被證明可以用于類似的心臟相關再生醫學應用。早在2020年，明尼蘇達大學的研究人員與醫療技術公司美敦力合作，開發了可定制的3D打印病人特定心臟瓣膜模型。這些模型旨在幫助外科醫生更好地準備微創外科手術，以改善心血管患者的治療效果。

大約在同一時間，卡內基梅隆大學的研究人員開發了他們自己的3D生物打印方法，以生產全尺寸的人類心臟模型，用于手術培訓和規劃應用。最近，來自中國科學院的研究人員利用一個被轉換為3D生物打印機的六軸機械臂，3D打印了一顆跳動的心臟，并保持了六個月的活力。據該團隊稱，3D打印的心臟組織可以展示未來生物打印功能組織和器官的可行方法。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/qiyexinwen/42108.html