墨水直寫(xiě)3D打印：制造具有真實(shí)機(jī)械特性的主動(dòng)脈模型

導(dǎo)讀：增材制造(AM)可用于生產(chǎn)人工主動(dòng)脈模型,，用于主動(dòng)脈瓣置換(TAVR)手術(shù)的培訓(xùn)或研究,。通過(guò)增材制造，模型可以根據(jù)患者的主動(dòng)脈解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行個(gè)性化定制,。到目前為止,，現(xiàn)有的模型大多是使用單一的橡膠類(lèi)材料制造的。這種材料不能復(fù)制天然主動(dòng)脈組織的機(jī)械特性,，特別是在高應(yīng)變（>0.1）區(qū)域的應(yīng)力-應(yīng)變反應(yīng),。使用不能真實(shí)反應(yīng)主動(dòng)脈特性的模型進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練對(duì)于外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)存在一定的問(wèn)題。

2022年5月,，南極熊獲悉,，KTH皇家理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系,、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)械與工藝工程系復(fù)合材料與適應(yīng)性結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的研究者開(kāi)發(fā)了一個(gè)3D打印的具有真實(shí)機(jī)械特性的主動(dòng)脈模型，材料包括明膠纖維和硅膠,。該模型有望成為模擬TAVR手術(shù)的主動(dòng)脈的真實(shí)模擬物,。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在《 Materials Letters》上。


研究人員事先用醫(yī)學(xué)影像學(xué)分析了計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù),，以確定特定病人的主動(dòng)脈竇和周?chē)�血管的解剖結(jié)構(gòu),。所設(shè)計(jì)的新型硅膠基質(zhì)復(fù)合材料用明膠纖維增強(qiáng)，與主動(dòng)脈組織的應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試和比較,。結(jié)果表明這樣的模型不僅能反應(yīng)患者的真實(shí)的動(dòng)脈結(jié)構(gòu),，也具有主動(dòng)脈組織的特性，對(duì)開(kāi)發(fā)下一代醫(yī)學(xué)模型很有幫助,。



△研究過(guò)程示意圖

研究過(guò)程可以簡(jiǎn)短的概括為：從計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)中提取患者的特定幾何形狀,，進(jìn)行主動(dòng)脈模型的制造。利用DIW制造了硅膠復(fù)制品,。隨后,，生產(chǎn)明膠纖維并將其包裹在硅膠模型上，以模擬天然主動(dòng)脈組織的典型應(yīng)力-應(yīng)變行為,。


△針對(duì)明膠纖維生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)室裝置,，包括長(zhǎng)絲卷繞器、含有明膠溶液的筒狀物,、加熱槍和壓力控制器,。


△（a) 三維打印的硅膠主動(dòng)脈模型 (b) 后處理后的GFRS主動(dòng)脈模型 (c) 用明膠纖維加固的打印硅膠模型 (d)材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果與其他報(bào)告的高應(yīng)變區(qū)的數(shù)值（Vf=纖維的體積分?jǐn)?shù)）

總結(jié)
研究人員使用單向明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合材料成功地制造了一個(gè)具有機(jī)械代表性的3D打印主動(dòng)脈模型。明膠纖維以不同體積分?jǐn)?shù)沉積在打印的硅膠模型內(nèi),，可以反應(yīng)主動(dòng)脈組織中真實(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變情況,。這將使該模型成為T(mén)AVR的有效手術(shù)培訓(xùn)工具，因?yàn)橹鲃?dòng)脈中的不同結(jié)構(gòu)的機(jī)械情況更符合實(shí)際情況,。


更多內(nèi)容請(qǐng)下載原文查看： https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132396