哈佛大學(xué)研究人員開發(fā) 3D 打印合成心臟瓣膜,，可伴隨兒童一起成長(zhǎng)

導(dǎo)讀：風(fēng)濕熱可能會(huì)損害兒童的心臟瓣膜,，從而導(dǎo)致風(fēng)濕性心臟病并導(dǎo)致更嚴(yán)重的健康問(wèn)題,，例如中風(fēng)和心力衰竭。通過(guò)手術(shù)修復(fù)心臟瓣膜是可能的,，但當(dāng)你面對(duì)的是身體仍在生長(zhǎng)的兒童時(shí),，這就變得更加困難。有時(shí),，需要進(jìn)行多次侵入性手術(shù)才能用更大的瓣膜替換瓣膜,，而生產(chǎn)人造心臟瓣膜的過(guò)程成本高昂且漫長(zhǎng)。但哈佛大學(xué)的研究人員正在努力通過(guò)3D 打印合成心臟瓣膜來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,，這種新型瓣膜旨在與年輕患者一起生長(zhǎng),，從而避免再進(jìn)行額外的手術(shù)。

2023年7月3日，南極熊獲悉,，由凱文·基特·帕克博士領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所和約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 ( SEAS ) 的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在致力于創(chuàng)造這種革命性的兒科心臟瓣膜,。它被稱為FibraValve，可以在短短 10 分鐘內(nèi)通過(guò)稱為PLCL 的聚己內(nèi)酯 (PCL) 和聚乳酸 (PLA) 的定制組合,，使用稱為聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡絲 (FRJS)的新方法進(jìn)行 3D 打印,。該技術(shù)允許將閥門的形狀和性能定制至納米級(jí)。

△FibraValve 和 FRJ 的圖示出現(xiàn)在Matter的封面上,。圖片來(lái)源：哈佛大學(xué)維斯研究所

正如他們?cè)谧罱�發(fā)表在《Matter》期刊上的一篇題為“On-demand heart valve manufacturing using focused rotary jetspinning”的論文中所解釋的那樣,，3D 打印的瓣膜在體外很容易被活細(xì)胞“殖民”。最終的大型動(dòng)物模型研究由 Wyss蘇黎世轉(zhuǎn)化中心的合作者完成,，并由 Wyss 副教員 SimonHoerstrup 博士領(lǐng)導(dǎo),。

相關(guān)論文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00243-6

△圖片摘要

研究人員在論文中寫道：“不幸的是，目前的心臟瓣膜置換術(shù)并不能與孩子一起成長(zhǎng),，因此需要在兒科患者的一生中重復(fù)進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)手術(shù),。FibraValves 采用可生物降解的聚合物纖維制造，允許患者的細(xì)胞附著和重塑植入的支架,，最終構(gòu)建一個(gè)可以與孩子一起成長(zhǎng)并終生生活的原生瓣膜,，”。

Parker 和 Hoerstrup 近十年來(lái)一直致力于開發(fā)有生命的,、可生長(zhǎng)的心臟瓣膜,，并于 2017 年生產(chǎn)了他們的第一個(gè)合成心臟瓣膜 JetValve。它是使用早期版本的 FRJS 制造的,，其中生物相容性合成聚合物通過(guò)噴嘴并紡成長(zhǎng)納米纖維,，這些纖維收集在閥門形狀的心軸上，以快速生產(chǎn)生物相容性閥門,。兩人成功地將他們的 JetValve 植入綿羊的心臟,，它在那里正常工作并聚集活細(xì)胞來(lái)再生新組織，但他們知道他們可以改進(jìn)最初的設(shè)計(jì),。

對(duì)于新的 FibraValve,，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)閥形框架，并使用 FRJS 添加了空氣噴射流,，使框架充滿液體聚合物,。這使得可以輕松調(diào)整最終形狀，并提高纖維沉積到心軸上的速率,。結(jié)果是一種合成的 3D 打印設(shè)備,，具有網(wǎng)狀納米纖維網(wǎng)絡(luò)，可以讓細(xì)胞滲透和生長(zhǎng),。

該研究的資深作者、哈佛大學(xué)生物工程教授 Parker解釋道： “細(xì)胞在納米尺度上運(yùn)作，3D 打印無(wú)法達(dá)到這個(gè)水平,，但集中旋轉(zhuǎn)噴射紡絲可以在其中放置納米尺度的空間線索,。這樣，當(dāng)細(xì)胞爬進(jìn)支架時(shí),，它們感覺就像在心臟瓣膜中,，而不是合成支架中�,！�

△FibraValve 由聚合物纖維長(zhǎng)絲組成,，復(fù)制了人類心臟瓣膜的物理特性，并且具有足夠的多孔性,，可以讓細(xì)胞滲透并用活組織替換支架,。圖片來(lái)源：哈佛大學(xué)維斯研究所

此外，該團(tuán)隊(duì)定制的 PLCL 聚合物材料不僅可以改善 FibraValve 進(jìn)入體內(nèi)后活細(xì)胞的滲透,，而且還可以生物降解,。FibraValve比其前身更具彈性，并且還允許細(xì)胞在整個(gè)支架上更均勻地分布,。該團(tuán)隊(duì)還優(yōu)化了瓣膜內(nèi)部“小葉”的形狀,，以減少通過(guò)瓣膜漏回的血液量。通過(guò)所有這些改進(jìn),，F(xiàn)ibraValve 實(shí)際上可以自我重塑,，這就是為什么它對(duì)于心臟仍在生長(zhǎng)的兒科心臟瓣膜疾病患者非常有用。另外,，打印一個(gè)只需要幾分鐘,，因此它已經(jīng)準(zhǔn)備好被活細(xì)胞定殖。

Parker說(shuō)：“這項(xiàng)研究說(shuō)明了FibraValves 作為患有瓣膜疾病的兒童的解決方案的潛力,。我們的目標(biāo)是讓患者的原生細(xì)胞使用該設(shè)備作為藍(lán)圖來(lái)再生自己的活瓣膜組織,，但 FRJS 也有潛力作為未來(lái)制造其他醫(yī)療設(shè)備的平臺(tái)�,！�

△聚合物和聚焦空氣射流被迫通過(guò)紡絲裝置,，聚合物纖維聚集在閥形心軸上形成 FibraValve。圖片來(lái)源：哈佛大學(xué)維斯研究所

蘇黎世的 Hoerstrup 團(tuán)隊(duì)將3D 打印的 FibraValve 植入活羊的心臟中,，它立即開始發(fā)揮作用,，小葉打開和關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)每次心跳時(shí)血流的調(diào)節(jié),。一小時(shí)后,，研究人員觀察到稱為纖維蛋白的蛋白質(zhì)沉積在瓣膜外部，紅細(xì)胞和白細(xì)胞滲透到其多孔支架中,，沒有發(fā)現(xiàn)副作用,、血栓形成或任何其他問(wèn)題的跡象�,，F(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)期待在長(zhǎng)期動(dòng)物測(cè)試中評(píng)估 FibraValve 的性能和再生能力,。

Hoerstrup 說(shuō)：“從臨床角度來(lái)看,，F(xiàn)ibraValve 的這些首次體內(nèi)測(cè)試結(jié)果很有希望，并激勵(lì)我們啟動(dòng)進(jìn)一步的臨床前評(píng)估,�,！�

研究人員相信，他們的 3D 打印心臟瓣膜置換方法最終可能會(huì)應(yīng)用到更多定制化的植入式醫(yī)療設(shè)備中,，例如血管,、其他瓣膜和心臟補(bǔ)片。