卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的一組研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的生物3D打印方法，該方法可以生成逼真的全尺寸人類心臟模型。科學(xué)家的懸浮水凝膠自由形式可逆嵌入技術(shù)（FRESH）涉及將環(huán)保型藻酸鹽聚合物擠出到定制的明膠容器中，利用他們新穎的方法，該團(tuán)隊(duì)旨在與外科醫(yī)生合作，為手術(shù)訓(xùn)練和預(yù)計(jì)劃應(yīng)用創(chuàng)建針對(duì)患者的臨床模型。

該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人亞當(dāng)·費(fèi)恩伯格教授說(shuō)：“外科醫(yī)生可以對(duì)其進(jìn)行操縱，并使其真正像真實(shí)的組織一樣做出反應(yīng)。因此，當(dāng)他們進(jìn)入手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，他們?cè)谠摥h(huán)境中又增加了一層實(shí)際操作。我們現(xiàn)在可以建立一個(gè)模型，該模型不僅可以用于可視化規(guī)劃，還可以用于物理實(shí)踐。”

一種“新鮮”的3D打印新方法

越來(lái)越多的外科醫(yī)生正在采用3D打印作為開(kāi)發(fā)定制模型的方法，這些模型可以使他們向患者解釋心臟程序。使用生物印記生產(chǎn)這些復(fù)制品使它們變得現(xiàn)實(shí)，但也為將來(lái)進(jìn)行組織工程和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了可能性。據(jù)中國(guó)3D打印網(wǎng)了解，目前，諸如立體光刻（SLA）和熔融沉積建模（FDM）之類的常見(jiàn)3D打印技術(shù)正在用于再現(xiàn)逼真的器官。盡管這樣的方法通常已取得了積極的成果，但迄今為止，它們的廣泛采用受到其成本和制造它們所需專業(yè)知識(shí)水平的限制。為了克服這些限制，F(xiàn)einberg教授和他的同事們花了兩年時(shí)間研究如何以全尺寸打印人類心臟模型，并提出了一種FRESH新方法。該小組的新穎技術(shù)始于使用從MRI掃描和其他掃描過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的3D模型。

然后使用直徑250微米的針頭打印最終的設(shè)計(jì)，該針頭將藻酸鹽擠出到定制的容器中，該容器的大小足以容納完整尺寸的復(fù)制品。最終發(fā)現(xiàn)該小組的新方法可以產(chǎn)生比以前更耐用的模型，從而有可能使它們更有效地用作外科手術(shù)訓(xùn)練工具。

該圖顯示了Feinberg及其團(tuán)隊(duì)制造的全尺寸3D打印成人心臟模型。圖片來(lái)自卡耐基梅隆大學(xué)。

3D打印全尺寸手術(shù)模型

在3D打印過(guò)程中，科學(xué)家將藻酸鹽用作模型的主要材料，因?yàn)樗c有機(jī)心臟組織的質(zhì)地和機(jī)械特性非常相似。更重要的是，較軟的材料（例如TPU和硅樹(shù)脂）在重力作用下會(huì)發(fā)生變形，從而使剛性稍高的藻酸鹽成為更合適的選擇。

在制造出一系列原型后，研究人員在明膠容器中對(duì)它們進(jìn)行了12小時(shí)的后處理，然后將它們放入培養(yǎng)箱中過(guò)夜以去除明膠支持物。一旦準(zhǔn)備好了附加心臟模型，F(xiàn)einberg和他的團(tuán)隊(duì)便通過(guò)查看聚合物在縫合過(guò)程中可以伸展多遠(yuǎn)的位置來(lái)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，藻酸鹽具有足夠的抗張強(qiáng)度，可以制成心臟模型供外科醫(yī)生進(jìn)行練習(xí)。然后，研究人員開(kāi)始使用他們的FRESH方法來(lái)制造較小的模型，該模型由充滿假血的冠狀動(dòng)脈組成，這也可能對(duì)培訓(xùn)外科醫(yī)生有用。

有趣的是，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)擠出機(jī)的針尖存在問(wèn)題，因?yàn)樗枰銐蜷L(zhǎng)的長(zhǎng)度才能到達(dá)熔池的底部，并支撐印刷材料。為解決此問(wèn)題，創(chuàng)建了3D打印的針頭支撐環(huán)，可以隨意更換并連接到打印機(jī)的擠出機(jī)頭上。研究人員得出結(jié)論，他們的3D模型適合作為外科手術(shù)訓(xùn)練工具來(lái)進(jìn)行縫合以及可以在真實(shí)的人心臟上進(jìn)行的其他操作?？傮w而言，該項(xiàng)目可以開(kāi)拓其他研究途徑，并且在將來(lái)，該團(tuán)隊(duì)希望他們的FRESH方法能夠?qū)е律镝t(yī)學(xué)測(cè)試工具的開(kāi)發(fā)。

圖像顯示四次掃描，第一幅圖像顯示基于MRI掃描的心臟，最后一張圖像是使用藻酸鹽的全尺寸FRESH打印圖像。

圖片來(lái)自卡耐基梅隆大學(xué)。

近年來(lái)，各種科學(xué)家已經(jīng)采用3D打印作為產(chǎn)生逼真的器官模型的方法，從而擴(kuò)大了我們對(duì)人體的了解。2020年7月，明尼蘇達(dá)大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種新型生物墨水，該墨水幫助他們創(chuàng)建了一種功能強(qiáng)大的3D打印跳動(dòng)心臟，該心臟由充滿細(xì)胞的生物材料制成。該小組的新穎材料使他們能夠3D打印具有更多腔室，心室和高細(xì)胞壁厚度的主動(dòng)脈副本。

今年早些時(shí)候，得克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校（UTEP）和得克薩斯理工大學(xué)健康科學(xué)中心埃爾帕索分校（TTUHSC El Paso）的生物醫(yī)學(xué)研究人員共同致力于3D打印迷你心臟。該細(xì)胞的結(jié)構(gòu)被送到國(guó)際空間站（ISS），研究微重力如何影響人類心臟的功能。

同樣在2018年，鄭州大學(xué)的一群醫(yī)生對(duì)25名患者進(jìn)行了一項(xiàng)研究，以強(qiáng)調(diào)如何在心臟手術(shù)中使用3D打印的解剖模型。該團(tuán)隊(duì)最終使用CT掃描來(lái)開(kāi)發(fā)特定于患者的模型，該模型可以1：1比例進(jìn)行3D打印。

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