導言：在未來的幾十年中，世界將面臨人口結構的轉變和人口老齡化的挑戰(zhàn)。人口老齡化增加了心血管疾病的患病率，心血管疾病是該年齡組人群的主要死亡原因。其中，非先天性主動脈瓣狹窄（AS）是老年人的常見心血管疾病之一。
經(jīng)導管主動脈瓣置換術（TAVR）是一種用于治療主動脈瓣狹窄的微創(chuàng)手術，旨在通過導管輸送系統(tǒng)將生物修復瓣膜植入患病的天然瓣膜來治療該疾病。近日，美國明尼蘇達大學的研究人員在美敦力公司的支持下，開發(fā)了一種突破性的工藝，將心臟主動脈瓣和周圍結構的逼真模型進行多材質(zhì)3D打印，模擬患者的真實外觀和感受，有助于改善患者的預后。
該研究于8月28日發(fā)表在《科學進展》（Science Advances）雜志，題為“3D printed patient-specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications”。
這些患者特定的器官模型，包括集成到結構中的3D打印軟傳感器陣列，是使用專門的墨水和定制的3D打印工藝制造的。
研究人員3D打印了主動脈根部，主動脈根部是離心臟最近并與心臟相連的部分，由主動脈瓣和冠狀動脈開口組成，具有三個瓣膜，稱為小葉，被纖維環(huán)包圍。該模型還包括左心室肌肉和升主動脈的一部分。
患者特定的3D打印主動脈根部模型的概念和組件的概述。（A）主動脈根部植入TAVR假體的心臟示意圖。AV，房室。（B）具有內(nèi)部集成傳感器陣列的3D打印主動脈根模型。圖片來源：明尼蘇達大學，Ghazaleh Haghiashtiani和Kaiyan Qiu。（C）主動脈根部模型的不同組分。鈣化區(qū)域顯示為黃色。膜隔的大致區(qū)域用藍色標記指示。
該研究的資深作者，明尼蘇達大學的機械工程教授兼高級研究員Michael McAlpine表示：“我們使用這些3D打印模型的目標是通過提供特定于患者的工具，來幫助醫(yī)生了解特定患者心臟的確切解剖結構和機械特性，從而降低醫(yī)療風險和并發(fā)癥。醫(yī)師可以在實際手術之前測試并試用瓣膜植入物。這些模型還可以幫助患者更好地了解自己的解剖結構和手術本身。”
該器官模型經(jīng)過專門設計，可幫助醫(yī)生為經(jīng)導管主動脈瓣置換術（TAVR）做準備，該手術將新瓣膜置于患者的主動脈瓣內(nèi)。這種手術用于治療主動脈瓣狹窄，這種情況發(fā)生在心臟主動脈瓣，阻止了瓣膜完全打開，從而減少或阻斷從心臟流入主動脈的血流。主動脈瓣狹窄是老年人最常見的心血管疾病之一，在北美影響約270萬75歲以上的成年人受到影響。TAVR手術比心臟直視手術修復受損瓣膜的創(chuàng)傷小。
主動脈根部模型是通過患者的CT掃描來匹配確切形狀而制成的。然后，使用明尼蘇達大學可見心臟實驗室的研究人員使用專用的有機硅基墨水對其進行3D打印，這種墨水與真實心臟組織的感覺相匹配。當前市場上的商用打印機可以3D打印形狀，但使用的墨水通常過于堅硬，無法與真實心臟組織的柔軟度相匹配。
另一方面，明尼蘇達大學的專業(yè)3D打印機能夠通過打印類似于修補干墻和石膏的散斑膏的墨水來模擬模型的軟組織成分，以及瓣膜上的硬鈣化。
醫(yī)生可以在手術過程中使用這些模型來確定瓣膜裝置的尺寸和位置。模型中3D打印的集成傳感器為醫(yī)生提供了電子壓力反饋，可用于指導和優(yōu)化患者解剖結構內(nèi)瓣膜的選擇和定位。
但是McAlpine認為這并不是這類3D打印模型的終點。
“隨著我們的3D打印技術不斷改進，并且我們發(fā)現(xiàn)了新的集成電子元件以模擬器官功能的新方法，這些模型本身可以用作人工替代器官，總有一天這些仿生器官會比它們的同類更好。”
參考：
【1】https://medicalxpress.com/news/2020-08-d-lifelike-heart-valve.html
【2】https://advances.sciencemag.org/content/6/35/eabb4641
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