南極熊導讀：風濕熱可能會損害兒童的心臟瓣膜，導致風濕性心臟病、中風和心力衰竭。如今，通過手術修復心臟瓣膜是可能的，但如果患者是身體仍在生長的兒童，問題就變得十分困難。有時，需要進行多次侵入性手術才能用更大的瓣膜進行替換，而生產人造心臟瓣膜的過程成本高昂且漫長。為了解決上述問題，來自哈佛大學的研究人員正在努力通過3D打印技術合成心臟瓣膜，該瓣膜能夠與年輕患者一起生長，從而消除額外的手術。



2023年7月，南極熊獲悉，哈佛研究團隊正在致力于創造這種革命性的兒童心臟瓣膜，稱為 FibraValve，可以在短短 10 分鐘內通過稱為 PLCL 的聚己內酯 (PCL) 和聚乳酸 (PLA) 的材料進行組合，使用聚焦旋轉噴射紡絲 (FRJS)的新方法進行 3D 打印，該技術允許將結構定制至納米級。



研究人員在研究中寫道：“不幸的是，目前的心臟瓣膜置換術并不能與孩子一起成長，因此需要在兒科患者的一生中重復進行高風險手術。FibraValves 采用可生物降解的聚合物纖維制造，允許患者的細胞附著和重塑植入的支架，最終構建一個可以與孩子一起成長并終生生活的原生瓣膜。”

研究主任Parker 和 Hoerstrup 近十年來一直致力于開發活的、生長的心臟瓣膜，并于 2017 年生產了他們的第一個合成心臟瓣膜 JetValve。這是使用早期版本的 FRJS 制造的，其中生物相容性合成聚合物通過噴嘴并紡成長納米纖維，這些纖維收集在閥門形狀的心軸上，以快速生產生物相容性閥門。兩人成功地將他們的 JetValve 植入了綿羊的心臟，該心臟能夠在那里正常工作并聚集活細胞再生新組織，但這仍有改進的空間。



對于新的 FibraValve，研究團隊設計了一個閥形框架，使用 FRJS 的同時添加了空氣噴射流，使框架充滿液體聚合物。這可以輕松調整最終形狀，并提高纖維沉積到心軸上的速率，最終得到了一種合成的3D打印結構，具有網狀納米纖維網絡，可以讓細胞滲透和生長。

該研究的資深作者、哈佛大學生物工程教授 Parker解釋道： “細胞在納米尺度上運作，3D 打印無法達到這個水平，但集中旋轉噴射紡絲可以在其中放置納米尺度的空間結構。這樣，當細胞進入支架時，它們感覺就像在心臟瓣膜中，而不是合成支架中。”


△FibraValve 由聚合物纖維長絲組成，復制了人類心臟瓣膜的物理特性，并且具有足夠的多孔性，可以讓細胞滲透并用活組織替換支架。

此外，該團隊定制的 PLCL 聚合物材料不僅可以改善 FibraValve 進入體內后活細胞的滲透，而且還可以生物降解。FibraValve 比其前身更具彈性，還允許細胞在整個支架上更均勻地分布。該團隊還優化了瓣膜內部“小葉”的形狀，以減少通過瓣膜漏回的血液量。通過所有這些改進，FibraValve 可以實現自我重塑，對于心臟仍在生長的兒童心臟瓣膜疾病患者非常有用。

Parker說：“這項研究說明了 FibraValves 作為患有瓣膜疾病的兒童的解決方案的潛力，我們的目標是讓患者的原生細胞使用該設備作為藍圖來再生自己的活瓣膜組織，但 FRJS 也有潛力作為未來制造其他醫療設備的平臺。”


△聚合物和聚焦空氣射流被迫通過紡絲裝置，聚合物纖維聚集在閥形心軸上形成 FibraValve。

蘇黎世的 Hoerstrup 團隊將 3D 打印的 FibraValve 植入活羊的心臟中，它立即開始發揮作用，小葉打開和關閉，以實現每次心跳時血流的調節。一小時后，研究人員觀察到稱為纖維蛋白的蛋白質沉積在瓣膜外部，紅細胞和白細胞滲透到其多孔支架中，沒有發現副作用、血栓形成或任何其他問題的跡象。現在，該團隊期待在長期動物測試中評估 FibraValve 的性能和再生能力。Hoerstrup 說：“從臨床角度來看，FibraValve 的這些首次 體內結果很有希望，并激勵我們啟動進一步的臨床前評估。”

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帶來更多定制化的植入式醫療設備，例如血管、其他瓣膜和心臟補片。

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麻省理工學院3D打印心臟，外觀和行為“宛若真品”

南極熊導讀：人類的科學技術在過去的幾個世紀里取得了長足的進步，不可否認的是，我們看到增長最快的一個領域是醫療。考慮到沒有什么比面臨嚴重健康問題的前景更可怕，這也許不足為奇。它也是總體上最具創新性的行業之一，總是尋求采用新技術，當然包括增材制造。

2023年2月，南極熊獲悉，麻省理工學院的工程師們成功打造了一顆3D打印的機器人心臟，它可以完美復制患者的心臟，從外觀到心跳，都能更有效地治療心臟病。

心臟問題是全世界最主要的致死原因之一。事實上，根據統計，每年約有 647,000 名美國人死于心臟病，這意味著每4人中就有1人死于心臟病。CDC甚至指出它是美國的頭號死因。此外，數據顯示這一數字只增不減，一項研究表明，在大流行期間，所有年齡組的心臟病死亡率都發生了急劇變化。因此，尋找治療心臟病的方法是許多醫學界的首要任務。在這里，3D 打印尤其可以在幫助為每位患者量身定制治療方面發揮關鍵作用。

△3D打印的心臟復制品

更逼真的 3D 打印心臟復制品

這個特殊的項目是由麻省理工學院研究人員主導，包括 Luca Rosalia、Caglar Ozturk、Debkalpa Goswami、Jean Bonnemain、Sophie Wang 和 Ellen Roche，以及麻省總醫院的 Benjamin Bonner、哈佛大學的 James Weaver 和 Christopher Nguyen，俄亥俄州克利夫蘭診所的 Rishi Puri 和 Samir Kapadia。他們的目標是制造一個機器人心臟，它是一個柔軟而靈活的患者復制品，以幫助治療不同的心臟疾病，包括尋找更合適的植入物或開發最佳功能并適合主動脈中的合成瓣膜。研究項目得到了美國國家科學基金會、美國國立衛生研究院和美國國家心肺血液研究所的部分支持。

為此，他們求助于 3D 打印。或者更具體地說，他們使用了一種基于聚合物的墨水，這種墨水一旦固化就能夠擠壓和拉伸，類似于真正跳動的心臟。這是由患者的醫學掃描制成的，然后將其轉換為 3D 模型并打印出來，從而形成柔軟、解剖學上準確的心室和血管外殼。此外，為了重現心臟的跳動，該團隊制作了套筒來包裹可以連接到空氣泵系統的模型，使它們能夠收縮和收縮模型。Roche評論說：“能夠匹配患者的流量和壓力非常令人鼓舞。我們不僅要打印心臟的解剖結構，還要復制它的力學和生理學。這就是我們感到興奮的部分。”

最終，這似乎取得了成功，研究人員能夠證明他們不僅可以完美地復制心臟的形狀和外觀，還可以準確地復制先前在每個患者身上測量的心臟泵壓和流量。這最終被用來查看心臟是否可以幫助確定適合患者的治療方法。例如，比較不同尺寸的植入物，使他們能夠看到哪種植入物最適合和流動。研究人員指出，它可能特別有助于為可能具有獨特或具有挑戰性的心臟幾何結構的個人開發理想的治療方法。