定制的3D打印心脏复制品外观和泵送效果与真品无异

没有两颗心跳得一样。心脏的大小和形状因人而异。对于患有心脏病的人来说，这些差异尤其明显，因为他们的心脏和主要血管更努力地工作以克服任何受损的功能。

麻省理工学院的工程师希望通过定制的机器人心脏帮助医生根据患者特定的心脏形态和功能定制治疗方案。该团队开发了一种程序，可以3D 打印出柔软而灵活的患者心脏复制品。然后他们可以控制复制品的动作来模仿患者的抽血能力。

该过程包括首先将患者心脏的医学图像转换为三维计算机模型，然后研究人员可以使用基于聚合物的墨水进行 3D 打印。结果是一个柔软、灵活的外壳，完全符合患者自己的心脏形状。该团队还可以使用这种方法打印患者的主动脉——将血液从心脏输送到身体其他部位的主要动脉。

为了模仿心脏的泵血动作，该团队制作了类似于血压袖带的袖套，将打印出来的心脏和主动脉包裹起来。每个袖子的底面都类似于图案精确的气泡膜。当套筒连接到气动系统时，研究人员可以调整流出的空气，有节奏地使套筒的气泡膨胀并收缩心脏，模仿其泵送动作。

研究人员还可以在印刷的主动脉周围给一个单独的套筒充气，以收缩血管。他们说，可以调整这种收缩以模仿主动脉瓣狭窄——主动脉瓣狭窄的一种情况，导致心脏更加努力地迫使血液通过身体。

医生通常通过手术植入旨在加宽主动脉天然瓣膜的合成瓣膜来治疗主动脉瓣狭窄。该团队表示，在未来，医生可能会使用他们的新程序首先打印患者的心脏和主动脉，然后将各种瓣膜植入打印的模型中，以查看哪种设计能产生最佳功能并适合该特定患者。心脏复制品还可以被研究实验室和医疗设备行业用作测试各种类型心脏病疗法的现实平台。

“所有人的心都不一样，”麻省理工学院-哈佛大学健康科学与技术项目的研究生 Luca Rosalia 说。“存在巨大差异，尤其是当患者生病时。我们系统的优势在于，我们不仅可以重建患者心脏的形状，还可以重建其在生理学和疾病方面的功能。”

Rosalia 和他的同事在今天发表在《科学机器人》杂志上的一项研究中报告了他们的结果。麻省理工学院的合著者包括 Caglar Ozturk、Debkalpa Goswami、Jean Bonnemain、Sophie Wang 和 Ellen Roche，以及麻省总医院的 Benjamin Bonner、哈佛大学的 James Weaver，以及克利夫兰诊所的 Christopher Nguyen、Rishi Puri 和 Samir Kapadia在俄亥俄州。

打印和泵送

2020 年 1 月，由机械工程学教授 Ellen Roche 领导的团队成员开发了一种“生物机器人混合心脏” ——心脏的一般复制品，由包含小型充气圆柱体的合成肌肉制成，他们可以控制这些圆柱体以模仿心脏的收缩真正跳动的心。

经过这些努力后不久，Covid-19 大流行迫使罗氏实验室以及校园内的大多数其他实验室暂时关闭。罗莎莉亚并没有气馁，继续在家里调整令人心跳加速的设计。

“那年 3 月，我在宿舍里重新创建了整个系统，”Rosalia 回忆道。

几个月后，实验室重新开放，团队从中断的地方继续，努力改进对心脏泵送套管的控制，他们在动物和计算模型中对其进行了测试。然后，他们扩展了他们的方法来开发针对个别患者的袖子和心脏复制品。为此，他们求助于 3D 打印。

“医学领域对使用 3D 打印技术准确重建患者解剖结构以用于术前规划和培训非常感兴趣，”Wang 指出，他是波士顿贝斯以色列女执事医疗中心的血管外科住院医师。

包容性设计

在这项新研究中，该团队利用 3D 打印技术制作了真实患者心脏的定制复制品。他们使用了一种基于聚合物的墨水，一旦打印和固化，它就可以挤压和拉伸，就像真正跳动的心脏一样。

作为他们的源材料，研究人员使用了 15 名被诊断患有主动脉瓣狭窄的患者的医学扫描。该团队将每位患者的图像转换为患者左心室(心脏的主要泵室)和主动脉的三维计算机模型。他们将这个模型输入到 3D 打印机中，以生成柔软的、解剖学上准确的心室和血管外壳。

该团队还制作了袖子来包裹打印出来的表格。他们定制了每个袖子的口袋，这样当包裹在各自的形状上并连接到一个小型气泵系统时，袖子可以单独调整以逼真地收缩和收缩打印的模型。

研究人员表明，对于每个模型心脏，他们都可以准确地重建之前在每个患者身上测量到的相同的心脏泵压和流量。

“能够匹配患者的流量和压力非常令人鼓舞，”罗氏说。“我们不仅要打印心脏的解剖结构，还要复制它的力学和生理学。这就是我们感到兴奋的部分。”

更进一步，该团队旨在复制少数患者接受的一些干预措施，以查看打印的心脏和血管是否以相同的方式做出反应。一些患者接受了旨在扩大主动脉的瓣膜植入物。罗氏和她的同事们在以每位患者为模型的打印主动脉中植入了类似的瓣膜。当他们激活打印的心脏进行泵送时，他们观察到植入的瓣膜产生了与手术植入后的实际患者类似的改善流量。

最后，该团队使用一个驱动的打印心脏来比较不同尺寸的植入物，看看哪种植入物最适合和流动——他们设想临床医生将来可能会为他们的病人做这件事。

“患者会完成他们的成像，他们无论如何都会这样做，我们会用它来制作这个系统，最好是在一天之内，”共同作者 Nyugen 说。“一旦它启动并运行，临床医生就可以测试不同类型和尺寸的瓣膜，看看哪种效果最好，然后用它来植入。”

最终，罗氏表示，针对特定患者的复制品可以帮助开发和确定针对具有独特且具有挑战性的心脏几何结构的个人的理想治疗方法。

“针对广泛的解剖结构进行包容性设计，并测试该范围内的干预措施，可能会增加微创手术的可寻址目标人群，”罗氏说。