3D打印生長型心臟瓣膜,，有望實現(xiàn)“一次植入,、終身不換”

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(fā)揮著很大作用,，但目前傳統(tǒng)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(chǎn)生二次傷害的風險,。因此，生長型醫(yī)用替代器官是未來醫(yī)學界亟需攻克的方向,。

2022年3月16日,，南極熊獲悉,，慕尼黑工業(yè)大學(TUM)和西澳大利亞大學的研究人員正在開發(fā)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(shù)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(lǐng)導下,，利用熔融電鑄3D打印工藝，創(chuàng)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(shù),，它能夠沉積預(yù)定的微米級纖維，通過結(jié)合應(yīng)用電場,、溫度和壓力來實現(xiàn)帶電熔融聚合物的噴射成形,。

研究人員使用該技術(shù)以極高的精度，在預(yù)定的模式下沉積了不到人類頭發(fā)厚度十分之一的微纖維,，使所產(chǎn)生的纖維支架具有精細的特征,。

與其他纖維形成技術(shù)（如傳統(tǒng)電鑄）相比，熔體電鑄具有明顯的優(yōu)勢,，因為它能夠制造出具有可調(diào)控機械性能,、大孔徑和圖案的支架，用于廣泛的應(yīng)用,，包括植入組織工程和疾病建模,。

該技術(shù)之前已經(jīng)在生物醫(yī)學領(lǐng)域得到了部署，麻省理工學院已經(jīng)用它來培養(yǎng)具有特殊特性的高度均勻的細胞培養(yǎng)物,，烏特勒支大學醫(yī)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(guān)節(jié)炎影響的活體關(guān)節(jié)。

熔融電鑄還為昆士蘭科技大學開發(fā)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(yī)療植入物。

△帶有改進的心軸收集器設(shè)置的熔融電寫設(shè)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(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的數(shù)據(jù)，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(fù),，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(yīng)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(shù)干預(yù)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(xiàn)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(jié)構(gòu)并茁壯成長。

該團隊使用內(nèi)部的熔融電鑄3D打印機創(chuàng)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(jié)構(gòu),。他們的數(shù)字平臺3D打印出復(fù)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(jié)構(gòu)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(chuàng)建一個模擬循環(huán)系統(tǒng),，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(jù)該團隊稱,，測試階段的結(jié)果是有希望的，且瓣膜是符合ISO標準的,。雖然結(jié)果令人鼓舞,，但研究小組承認，測試并不能預(yù)測瓣膜的長期功能,，為此將進行體內(nèi)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(xiàn)成的完整心臟瓣膜結(jié)構(gòu)的前沿概念證明，這可能為其他軟組織工程應(yīng)用鋪平道路,。

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

關(guān)于這項研究的更多信息可以在《先進功能材料》雜志上發(fā)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(guān)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(jīng)多次被證明可以用于類似的心臟相關(guān)再生醫(yī)學應(yīng)用,。

早在2020年,，明尼蘇達大學的研究人員與醫(yī)療技術(shù)公司美敦力合作，開發(fā)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(yī)生更好地準備微創(chuàng)外科手術(shù),，以改善心血管患者的治療效果。

大約在同一時間,，卡內(nèi)基梅隆大學的研究人員開發(fā)了他們自己的3D生物打印方法,，以生產(chǎn)全尺寸的人類心臟模型，用于手術(shù)培訓和規(guī)劃應(yīng)用,。

最近,，來自中國科學院的研究人員利用一個被轉(zhuǎn)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(jù)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,。