麻省理工學院:定制的 3D 打印心臟復制品外觀和泵送效果與真品無異
軟機器人模型是針對特定患者的，可以幫助臨床醫(yī)生為個人找到的植入物。
沒有兩顆心跳得一樣。心臟的大小和形狀因人而異。對于患有心臟病的人來說，這些差異尤其明顯，因為他們的心臟和主要血管更努力地工作以克服任何受損的功能。
麻省理工學院的工程師希望通過定制的機器人心臟幫助醫(yī)生根據患者特定的心臟形態(tài)和功能定制方案。該團隊開發(fā)了一種程序，可以 3D 打印出柔軟而靈活的患者心臟復制品。然后他們可以控制復制品的動作來模仿患者的抽血能力。
該過程包括首先將患者心臟的醫(yī)學圖像轉換為三維計算機模型，然后研究人員可以使用基于聚合物的墨水進行 3D 打印。結果是一個柔軟、靈活的外殼，完全符合患者自己的心臟形狀。該團隊還可以使用這種方法打印患者的主動脈——將血液從心臟輸送到身體其他部位的主要動脈。
為了模仿心臟的泵血動作，該團隊制作了類似于血壓袖帶的袖套，將打印出來的心臟和主動脈包裹起來。每個袖子的底面都類似于圖案的氣泡膜。當套筒連接到氣動系統(tǒng)時，研究人員可以調整流出的空氣，有節(jié)奏地使套筒的氣泡膨脹并收縮心臟，模仿其泵送動作。
研究人員還可以在印刷的主動脈周圍給一個單獨的套筒充氣，以收縮血管。他們說，可以調整這種收縮以模仿主動脈瓣狹窄——主動脈瓣狹窄的一種情況，導致心臟更加努力地迫使血液通過身體。
醫(yī)生通常通過手術植入旨在加寬主動脈天然瓣膜的合成瓣膜來主動脈瓣狹窄。該團隊表示，在未來，醫(yī)生可能會使用他們的新程序首先打印患者的心臟和主動脈，然后將各種瓣膜植入打印的模型中，以查看哪種設計能產生功能并適合該特定患者。心臟復制品還可以被研究實驗室和醫(yī)療設備行業(yè)用作測試各種類型心臟病療法的現(xiàn)實平臺。
“所有人的心都不一樣，”麻省理工學院-哈佛大學健康科學與技術項目的研究生 Luca Rosalia 說。“存在巨大差異，尤其是當患者生病時。我們系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，我們不僅可以重建患者心臟的形狀，還可以重建其在生理學和疾病方面的功能。”
Rosalia 和他的同事在今天發(fā)表在《科學機器人》雜志上的一項研究中報告了他們的結果。麻省理工學院的合著者包括 Caglar Ozturk、Debkalpa Goswami、Jean Bonnemain、Sophie Wang 和 Ellen Roche，以及麻省總醫(yī)院的 Benjamin Bonner、哈佛大學的 James Weaver，以及克利夫蘭診所的 Christopher Nguyen、Rishi Puri 和 Samir Kapadia在俄亥俄州。
打印和泵送
2020 年 1 月，由機械工程學教授 Ellen Roche 領導的團隊成員開發(fā)了一種“生物機器人混合心臟” ——心臟的一般復制品，由包含小型充氣圓柱體的合成肌肉制成，他們可以控制這些圓柱體以模仿心臟的收縮真正跳動的心。
經過這些努力后不久，Covid-19 大流行迫使羅氏實驗室以及校園內的大多數(shù)其他實驗室暫時關閉。羅莎莉亞并沒有氣餒，繼續(xù)在家里調整令人心跳加速的設計。
“那年 3 月，我在宿舍里重新創(chuàng)建了整個系統(tǒng)，”Rosalia 回憶道。
幾個月后，實驗室重新開放，團隊從中斷的地方繼續(xù)，努力改進對心臟泵送套管的控制，他們在動物和計算模型中對其進行了測試。然后，他們擴展了他們的方法來開發(fā)針對個別患者的袖子和心臟復制品。為此，他們求助于 3D 打印。
“醫(yī)學領域對使用 3D 打印技術準確重建患者解剖結構以用于術前規(guī)劃和培訓非常感興趣，”Wang 指出，他是波士頓貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心的血管外科住院醫(yī)師。
包容性設計
在這項新研究中，該團隊利用 3D 打印技術制作了真實患者心臟的定制復制品。他們使用了一種基于聚合物的墨水，一旦打印和固化，它就可以擠壓和拉伸，就像真正跳動的心臟一樣。
作為他們的源材料，研究人員使用了 15 名被診斷患有主動脈瓣狹窄的患者的醫(yī)學掃描。該團隊將每位患者的圖像轉換為患者左心室（心臟的主要泵室）和主動脈的三維計算機模型。他們將這個模型輸入到 3D 打印機中，以生成柔軟的、解剖學上準確的心室和血管外殼。
該團隊還制作了袖子來包裹打印出來的表格。他們定制了每個袖子的口袋，這樣當包裹在各自的形狀上并連接到一個小型氣泵系統(tǒng)時，袖子可以單獨調整以逼真地收縮和收縮打印的模型。
研究人員表明，對于每個模型心臟，他們可以準確地重建先前在每個患者身上測量到的相同的心臟泵送壓力和流量。
“能夠匹配患者的流量和壓力非常令人鼓舞，”羅氏說。“我們不僅要打印心臟的解剖結構，還要復制它的力學和生理學。這就是我們感到興奮的部分。”
更進一步，該團隊旨在復制少數(shù)患者接受的一些干預措施，以查看打印的心臟和血管是否以相同的方式做出反應。一些患者接受了旨在擴大主動脈的瓣膜植入物。羅氏和她的同事們在以每位患者為模型的打印主動脈中植入了類似的瓣膜。當他們激活打印的心臟進行泵送時，他們觀察到植入的瓣膜產生了與手術植入后的實際患者相似的改善流量。
，該團隊使用一個驅動的印刷心臟來比較不同尺寸的植入物，看看哪種植入物適合和流動——他們設想臨床醫(yī)生將來可能會為他們的病人做這件事。
“患者會完成他們的成像，他們無論如何都會這樣做，我們會用它來制作這個系統(tǒng)，是在之內，”合著者 Nguyen 說。“一旦它啟動并運行，臨床醫(yī)生就可以測試不同類型和尺寸的瓣膜，看看哪種效果，然后用它來植入。”
終，羅氏表示，針對特定患者的復制品可以幫助開發(fā)和確定針對具有獨特且具有挑戰(zhàn)性的心臟幾何結構的個人的理想方法。
“針對廣泛的解剖結構進行包容性設計，并測試該范圍內的干預措施，可能會增加微創(chuàng)手術的可尋址目標人群，”羅氏說。
這項研究得到了美國科學基金會、美國國立衛(wèi)生研究院和美國心肺血液研究所的部分支持。
