定制的3D打印心脏复制品的外观和泵送就像真实的东西一样

没有两颗心跳得一样。心脏的大小和形状可能因人而异。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加努力地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的特定心脏形式和功能定制治疗方案。该团队开发了一种程序，可以3D打印患者心脏的柔软灵活的复制品。然后，他们可以控制复制品的动作来模仿病人的抽血能力。

该过程首先涉及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、有弹性的外壳，与患者自己的心脏形状完全相同。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，该团队制造了类似于血压袖带的袖子，这些袖口包裹着印刷的心脏和主动脉。每个袖子的底面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，有节奏地充气套筒的气泡并收缩心脏，模仿其泵送动作。

研究人员还可以在印刷主动脉周围给一个单独的套筒充气，以收缩血管。他们说，这种收缩可以调整为模仿主动脉瓣狭窄 - 一种主动脉瓣变窄的情况，导致心脏更加努力地迫使血液通过身体。

医生通常通过手术植入旨在扩大主动脉自然瓣膜的合成瓣膜来治疗主动脉瓣狭窄。未来，该团队表示，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模型，以查看哪种设计会产生最佳功能并适合该特定患者。心脏复制品也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·罗莎莉亚(Luca Rosalia)说。“存在巨大的差异，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式，还可以重建其在生理和疾病中的功能。

Rosalia和他的同事在今天发表在Science Robotics上的一项研究中报告了他们的结果。麻省理工学院的共同作者包括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和俄亥俄州克利夫兰诊所的Christopher Nguyen，Rishi Puri和Samir Kapadia。

打印和泵送

2020年<>月，由机械工程教授艾伦·罗奇(Ellen Roche)领导的团队成员开发了一种“生物机器人混合心脏”——一种心脏的通用复制品，由含有小型充气圆柱体的合成肌肉制成，他们可以控制它来模仿真实跳动的心脏的收缩。

在这些努力之后不久， 大流行迫使罗氏的实验室以及校园内的大多数其他实验室暂时关闭。罗莎莉亚没有气馁，继续调整家里的心脏跳动设计。

“那年三月，我在宿舍里重建了整个系统，”罗莎莉亚回忆道。

几个月后，实验室重新开放，研究小组继续从中断的地方继续，努力改善对心脏泵送套筒的控制，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，以开发特定于个体患者的袖子和心脏复制品。为此，他们转向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计划和培训非常感兴趣，”波士顿Beth Israel Deaconess医疗中心的血管外科住院医师Wang指出。

包容性设计

在这项新研究中，该团队利用3D打印来生产实际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，一旦印刷和固化，就可以挤压和拉伸，类似于真正的跳动的心脏。

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3D打印机，以生成心室和血管的柔软，解剖学上准确的外壳。

该团队还制作了袖子来包裹印刷的表格。他们定制了每个袖子的口袋，这样，当缠绕在各自的形状上并连接到小型空气泵送系统时，袖子可以单独调整，以逼真地收缩和收缩印刷模型。

研究人员表明，对于每个模型心脏，他们可以准确地重现以前在每个患者中测量的相同的心脏泵血压力和流量。

“能够匹配患者的流量和压力非常令人鼓舞，”罗氏说。“我们不仅打印了心脏的解剖结构，而且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，研究小组的目标是复制少数患者接受的一些干预措施，看看打印的心脏和血管是否以相同的方式反应。一些患者接受了旨在扩大主动脉的瓣膜植入物。罗氏和她的同事在以每位患者为模型的印刷主动脉中植入了类似的瓣膜。当他们激活打印的心脏泵血时，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，该团队使用一个致动的打印心脏来比较不同大小的植入物，看看哪个会导致最佳的贴合和流动 - 他们设想临床医生将来可能会为患者做一些事情。

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

最终，罗氏说，患者特异性复制品可以帮助为具有独特和具有挑战性的心脏几何形状的个体开发和确定理想的治疗方法。

“针对大范围的解剖结构进行包容性设计，并测试该范围的干预措施，可能会增加微创手术的潜在目标人群，”罗氏说。

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