麻省理工學(xué)院:定制的 3D 打印心臟復(fù)制品外觀和泵送效果與真品無(wú)異
軟機(jī)器人模型是針對(duì)特定患者的，可以幫助臨床醫(yī)生為個(gè)人找到的植入物。
沒(méi)有兩顆心跳得一樣。心臟的大小和形狀因人而異。對(duì)于患有心臟病的人來(lái)說(shuō)，這些差異尤其明顯，因?yàn)樗麄兊男呐K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(xué)院的工程師希望通過(guò)定制的機(jī)器人心臟幫助醫(yī)生根據(jù)患者特定的心臟形態(tài)和功能定制方案。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種程序，可以 3D 打印出柔軟而靈活的患者心臟復(fù)制品。然后他們可以控制復(fù)制品的動(dòng)作來(lái)模仿患者的抽血能力。
該過(guò)程包括首先將患者心臟的醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為三維計(jì)算機(jī)模型，然后研究人員可以使用基于聚合物的墨水進(jìn)行 3D 打印。結(jié)果是一個(gè)柔軟、靈活的外殼，完全符合患者自己的心臟形狀。該團(tuán)隊(duì)還可以使用這種方法打印患者的主動(dòng)脈——將血液從心臟輸送到身體其他部位的主要?jiǎng)用}。
為了模仿心臟的泵血?jiǎng)幼?，該團(tuán)隊(duì)制作了類似于血壓袖帶的袖套，將打印出來(lái)的心臟和主動(dòng)脈包裹起來(lái)。每個(gè)袖子的底面都類似于圖案的氣泡膜。當(dāng)套筒連接到氣動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，研究人員可以調(diào)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(dòng)作。
研究人員還可以在印刷的主動(dòng)脈周圍給一個(gè)單獨(dú)的套筒充氣，以收縮血管。他們說(shuō)，可以調(diào)整這種收縮以模仿主動(dòng)脈瓣狹窄——主動(dòng)脈瓣狹窄的一種情況，導(dǎo)致心臟更加努力地迫使血液通過(guò)身體。
醫(yī)生通常通過(guò)手術(shù)植入旨在加寬主動(dòng)脈天然瓣膜的合成瓣膜來(lái)主動(dòng)脈瓣狹窄。該團(tuán)隊(duì)表示，在未來(lái)，醫(yī)生可能會(huì)使用他們的新程序首先打印患者的心臟和主動(dòng)脈，然后將各種瓣膜植入打印的模型中，以查看哪種設(shè)計(jì)能產(chǎn)生功能并適合該特定患者。心臟復(fù)制品還可以被研究實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)療設(shè)備行業(yè)用作測(cè)試各種類型心臟病療法的現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。
“所有人的心都不一樣，”麻省理工學(xué)院-哈佛大學(xué)健康科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目的研究生 Luca Rosalia 說(shuō)。“存在巨大差異，尤其是當(dāng)患者生病時(shí)。我們系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)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(xué)和疾病方面的功能?！?/span>
Rosalia 和他的同事在今天發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》雜志上的一項(xiàng)研究中報(bào)告了他們的結(jié)果。麻省理工學(xué)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(xué)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(jī)械工程學(xué)教授 Ellen Roche 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)發(fā)了一種“生物機(jī)器人混合心臟” ——心臟的一般復(fù)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(dòng)的心。
經(jīng)過(guò)這些努力后不久，Covid-19 大流行迫使羅氏實(shí)驗(yàn)室以及校園內(nèi)的大多數(shù)其他實(shí)驗(yàn)室暫時(shí)關(guān)閉。羅莎莉亞并沒(méi)有氣餒，繼續(xù)在家里調(diào)整令人心跳加速的設(shè)計(jì)。
“那年 3 月，我在宿舍里重新創(chuàng)建了整個(gè)系統(tǒng)，”Rosalia 回憶道。
幾個(gè)月后，實(shí)驗(yàn)室重新開(kāi)放，團(tuán)隊(duì)從中斷的地方繼續(xù)，努力改進(jìn)對(duì)心臟泵送套管的控制，他們?cè)趧?dòng)物和計(jì)算模型中對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。然后，他們擴(kuò)展了他們的方法來(lái)開(kāi)發(fā)針對(duì)個(gè)別患者的袖子和心臟復(fù)制品。為此，他們求助于 3D 打印。
“醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)κ褂?3D 打印技術(shù)準(zhǔn)確重建患者解剖結(jié)構(gòu)以用于術(shù)前規(guī)劃和培訓(xùn)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(shè)計(jì)
在這項(xiàng)新研究中，該團(tuán)隊(duì)利用 3D 打印技術(shù)制作了真實(shí)患者心臟的定制復(fù)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(dòng)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(dòng)脈瓣狹窄的患者的醫(yī)學(xué)掃描。該團(tuán)隊(duì)將每位患者的圖像轉(zhuǎn)換為患者左心室（心臟的主要泵室）和主動(dòng)脈的三維計(jì)算機(jī)模型。他們將這個(gè)模型輸入到 3D 打印機(jī)中，以生成柔軟的、解剖學(xué)上準(zhǔn)確的心室和血管外殼。
該團(tuán)隊(duì)還制作了袖子來(lái)包裹打印出來(lái)的表格。他們定制了每個(gè)袖子的口袋，這樣當(dāng)包裹在各自的形狀上并連接到一個(gè)小型氣泵系統(tǒng)時(shí)，袖子可以單獨(dú)調(diào)整以逼真地收縮和收縮打印的模型。
研究人員表明，對(duì)于每個(gè)模型心臟，他們可以準(zhǔn)確地重建先前在每個(gè)患者身上測(cè)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(shuō)。“我們不僅要打印心臟的解剖結(jié)構(gòu)，還要復(fù)制它的力學(xué)和生理學(xué)。這就是我們感到興奮的部分。”
更進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)旨在復(fù)制少數(shù)患者接受的一些干預(yù)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(yīng)。一些患者接受了旨在擴(kuò)大主動(dòng)脈的瓣膜植入物。羅氏和她的同事們?cè)谝悦课换颊邽槟Ｐ偷拇蛴≈鲃?dòng)脈中植入了類似的瓣膜。當(dāng)他們激活打印的心臟進(jìn)行泵送時(shí)，他們觀察到植入的瓣膜產(chǎn)生了與手術(shù)植入后的實(shí)際患者相似的改善流量。
，該團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)的印刷心臟來(lái)比較不同尺寸的植入物，看看哪種植入物適合和流動(dòng)——他們?cè)O(shè)想臨床醫(yī)生將來(lái)可能會(huì)為他們的病人做這件事。
“患者會(huì)完成他們的成像，他們無(wú)論如何都會(huì)這樣做，我們會(huì)用它來(lái)制作這個(gè)系統(tǒng)，是在之內(nèi)，”合著者 Nguyen 說(shuō)。“一旦它啟動(dòng)并運(yùn)行，臨床醫(yī)生就可以測(cè)試不同類型和尺寸的瓣膜，看看哪種效果，然后用它來(lái)植入?！?/span>
終，羅氏表示，針對(duì)特定患者的復(fù)制品可以幫助開(kāi)發(fā)和確定針對(duì)具有獨(dú)特且具有挑戰(zhàn)性的心臟幾何結(jié)構(gòu)的個(gè)人的理想方法。
“針對(duì)廣泛的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行包容性設(shè)計(jì)，并測(cè)試該范圍內(nèi)的干預(yù)措施，可能會(huì)增加微創(chuàng)手術(shù)的可尋址目標(biāo)人群，”羅氏說(shuō)。
這項(xiàng)研究得到了美國(guó)科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和美國(guó)心肺血液研究所的部分支持。
