麻省理工用3D打印心脏,看起来和真的一样

工程师们开发了一种3D打印患者心脏的程序，这些模型可以帮助医生针对个别患者定制治疗方法，如主动脉瓣。

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

麻省理工学院的工程师们希望通过定制的机器人心脏，帮助医生根据患者的具体心脏形态和功能进行治疗。该团队开发了一种3D打印患者心脏柔软灵活的复制品的程序。然后，他们可以控制复制品的动作，以模仿患者的抽血能力。

该程序首先将患者心脏的医学图像转换成三维计算机模型，然后研究人员可以使用聚合物基墨水进行3D打印。结果是一个柔软、灵活的外壳，与患者自己的心脏形状完全一致。该团队还可以使用这种方法打印患者的主动脉，主动脉是将血液从心脏输送到身体其他部位的主要动脉。

为了模拟心脏的泵送动作，该团队制作了类似于血压袖套的袖套，套在打印的心脏和主动脉周围。每个套筒的底面类似于精确图案的气泡包装。当套管连接到气动系统时，研究人员可以调节流出的空气，使套管的气泡有节奏地膨胀，并收缩心脏，模仿其泵送动作。

研究人员还可以在打印的主动脉周围膨胀一个单独的套管，以收缩血管。他们说，这种收缩可以被调节成模拟主动脉瓣狭窄——主动脉瓣狭窄的情况，导致心脏更加努力地迫使血液通过身体。

医生通常通过外科手术植入一种人工瓣膜来治疗主动脉狭窄，这种瓣膜设计用于加宽主动脉的天然瓣膜。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，然后在打印的模型中植入各种瓣膜，以查看哪种设计能够产生最佳功能并适合特定患者。心脏复制品也可以被研究实验室和医疗器械行业用作测试各种类型心脏病治疗方法的现实平台。

“所有的心都是不同的，”麻省理工学院哈佛健康科学与技术项目的研究生卢卡·罗萨利亚说。“存在着巨大的变化，特别是当患者生病时。我们系统的优势在于，我们不仅可以重建患者心脏的形态，还可以重建其在生理和疾病方面的功能。”

打印和泵

年1月，由机械工程教授EllenRoche领导的团队成员开发了一种“生物机器人混合心脏”——一种心脏的普通复制品，由含有小型充气气缸的合成肌肉制成，他们可以控制这些气缸来模拟真实跳动心脏的收缩。

在这些努力之后不久，新冠肺炎疫情迫使罗氏实验室和校园内的大多数其他实验室暂时关闭。Rosalia没有气馁，继续在家里调整心脏泵的设计。

“那年三月，我在寝室里重新设计了整个系统。”罗莎莉亚回忆道。

几个月后，实验室重新开放，研究小组继续进行研究，致力于改善心脏泵套的控制，他们在动物和计算模型中进行了测试。然后，他们扩展了他们的方法，开发出针对个别患者的袖子和心脏复制品。为此，他们转向了3D打印。

波士顿贝斯以色列女执事医疗中心的血管外科王医师说：“医学界对使用3D打印技术准确地重建患者解剖结构以用于术前规划和培训非常感兴趣。”

包容性设计

在这项新的研究中，该团队利用3D打印技术制作了实际患者心脏的定制复制品。他们使用了一种聚合物基油墨，一旦印刷和固化，它可以挤压和拉伸，类似于真正跳动的心脏。

作为他们的原始材料，研究人员使用了15名主动脉狭窄患者的医学扫描。该团队将每位患者的图像转换成患者左心室（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，以生成心室和血管的柔软、解剖准确的外壳。

该团队还制作了袖子来包裹印刷的表格。他们定制了每一个袖子的口袋，这样，当它们包裹在各自的形状上并连接到一个小型的空气泵系统时，袖子可以单独调节，以真实地收缩和收缩打印模型。

研究人员表明，对于每一个模型心脏，他们都可以准确地重现之前在每个患者身上测量的相同的心脏泵压和流量。

“能够匹配患者的流量和压力是非常令人鼓舞的，”Roche说。“我们不仅打印了心脏的解剖结构，还复制了它的力学和生理学。这是我们感到兴奋的部分。”

更进一步，该团队的目标是复制少数患者接受的一些干预措施，以观察打印的心脏和血管是否以相同的方式响应。一些患者接受了旨在加宽主动脉的瓣膜植入物。Roche和她的同事在打印的主动脉中植入了类似的瓣膜，以每个患者为模型。当他们启动打印的心脏泵时，他们观察到植入的瓣膜产生的流量与手术植入后的实际患者相似。

最后，该团队使用一个驱动打印的心脏来比较不同尺寸的植入物，以确定哪种植入物会产生最佳的配合和流动性——这是他们预计临床医生将来可能为患者做的事情。

“患者会完成他们的成像，不管怎样，他们都会这样做，我们会用它来制作这个系统，理想情况下是在一天之内，”合著者尼根说。“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，患者特定的复制品可以帮助开发和确定具有独特和具有挑战性的心脏几何形状的个人的理想治疗方法。

Roche说：“为大范围的解剖结构进行包容性设计，并在这一范围内测试干预措施，可能会增加微创手术的目标人群。”

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