3D打印制備纖維增強(qiáng)主動脈模型

來源：上普生物


3D打印技術(shù)因其成型自由度高,、快速及個性化制造等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于臨床診斷,、手術(shù)規(guī)劃,、組織工程支架和假體植入物的制造等醫(yī)學(xué)研究中。近日,， 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 Paolo Ermanni 團(tuán)隊 在 Materials Letters 期刊發(fā)表題為“ 3D printed mechanically representative aortic model made of gelatin fiber reinforced silicone composite ”的文章,，報道了一種利用3D打印技術(shù)，由明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合材料制備,，具有仿生應(yīng)力應(yīng)變行為的主動脈模型,。

背景介紹
主動脈瓣狹窄是一種常見的老年性退行性心瓣膜疾病。對嚴(yán)重主動脈瓣狹窄患者,，經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)（Transcatheter Aortic Valve Replacement,，TAVR）是一種有效的治療手段。該技術(shù)通過股動脈送入介入導(dǎo)管,，將人工心臟瓣膜輸送至主動脈瓣區(qū)打開,，從而完成人工瓣膜置入，恢復(fù)瓣膜功能,。在上述過程中,，選擇具有合適幾何形狀的TAVR瓣膜對于手術(shù)治療成功具有重要意義。因此,，外科醫(yī)生需要在手術(shù)前對患者主動脈結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,，并為每位患者選擇尺寸合適的心臟瓣膜。

目前已有研究通過計算機(jī)斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)實現(xiàn)主動脈瓣的三維重建,，利用3D打印技術(shù)制造個體患者的主動脈模型,。但現(xiàn)有主動脈模型研究大多采用單一橡膠類材料制造，這種模型僅能復(fù)現(xiàn)患者主動脈結(jié)構(gòu),，不能模擬天然主動脈組織的典型J形應(yīng)力應(yīng)變行為,。因此，無法為外科醫(yī)生提供真實反應(yīng)主動脈特性的手術(shù)規(guī)劃模型,。

在本研究中,，Paolo Ermanni團(tuán)隊構(gòu)建了一種明膠纖維增強(qiáng)的新型硅基復(fù)合材料，開發(fā)了單向明膠纖維的制備技術(shù),，利用3D打印技術(shù)制備了兼具患者特定幾何形狀且主動脈組織真實材料特性的手術(shù)規(guī)劃模型,。

實驗過程與結(jié)果

1、患者主動脈解剖結(jié)構(gòu)構(gòu)建
基于患者心臟的CT圖像,，使用Mimics醫(yī)學(xué)圖像處理軟件,，將“醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像和通信”（DIACOM）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算機(jī)輔助設(shè)計文件，分析匿名患者心臟的計算機(jī)斷層掃描圖像,。使用三維可視化軟件3-matic用于處理從DIACOM 提取的幾何圖形,，實現(xiàn)患者主動脈模型的三維重建。

圖1. 患者主動脈解剖結(jié)構(gòu)三維構(gòu)建

2 ,、 3D 打印制備主動脈硅膠模型
硅膠墨水由Dragon Skin 30,、SLO-JO緩凝劑和親水性氣相法二氧化硅混制而成，犧牲墨水選用Nivea Cream,�,；�于雙噴頭3D打印機(jī)，使用硅膠墨水打印模型結(jié)構(gòu)部分,、犧牲墨水打印支撐結(jié)構(gòu)部分,。每打印兩層，使用紅外燈進(jìn)行60秒的光固化,。打印完成后,，用純水清洗去除支撐結(jié)構(gòu)。

圖2. 基于雙噴頭3D打印制備主動脈硅膠模型

3 ,、定向明膠纖維增強(qiáng)的復(fù)合模型制備
研究者使用下圖3中自制的明膠纖維收集裝置,。將制備的明膠纖維按照一致的取向手動分配在硅膠模型外側(cè)，并進(jìn)一步將復(fù)合模型浸入硅膠墨水中,，用硅膠墨水覆蓋上述明膠纖維,。綜上，研究者采用3D打印硅膠模型,、纏繞定向明膠纖維,、浸涂硅膠外層的方法，制備“三明治”夾層結(jié)構(gòu),、明膠纖維增強(qiáng)的主動脈復(fù)合模型,。

圖3. 用于制備明膠纖維的自制裝置

圖4. 制備明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合模型

4 、復(fù)合模型機(jī)械性能表征
為了制備與病變主動脈組織匹配的力學(xué)行為,，對不同纖維體積分?jǐn)?shù)的明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合材料進(jìn)行了測試,，并與真實人體主動脈組織進(jìn)行比較。明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合材料的力學(xué)拉伸結(jié)果展現(xiàn)出明顯的J形應(yīng)力-應(yīng)變曲線,。明膠纖維體積分?jǐn)?shù)在10%到15% 之間的復(fù)合材料與本研究中所測81歲人類主動脈組織的力學(xué)行為接近,。此外，可以通過調(diào)整“三明治”夾層結(jié)構(gòu)中明膠纖維的方向來模擬不同區(qū)域的力學(xué)各向異性行為,。

圖5. 制備明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合模型

結(jié)論
本研究使用硅膠為基質(zhì)材料,、定向明膠纖維為增強(qiáng)相，制備了 “三明治”夾層結(jié)構(gòu)的3D打印主動脈復(fù)合模型,。通過改變沉積于復(fù)合模型中明膠纖維的比例調(diào)整模型力學(xué)特性,，以模擬主動脈組織必要的J形應(yīng)力-應(yīng)變機(jī)械響應(yīng)。在未來研究中,，研究者規(guī)則進(jìn)一步改進(jìn)模型中明膠纖維的精確分配,，使該模型成為TAVR手術(shù)規(guī)劃中的有效訓(xùn)練工具,。

參考文獻(xiàn)
Kuthe S、Schlothauer A,、Bodkhe S 等人,。 明膠纖維增強(qiáng)有機(jī)硅復(fù)合材料3D打印機(jī)械代表性主動脈模型[J]. 材料快報，2022：132396,。https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132396