模仿天然心脏瓣膜的复杂性，3D打印瓣膜让患者的细胞渗入支架

| 3DScienceValley · 2022/06/12

根据3D科学谷的分享，瓣膜是心脏内部一个非常重要的结构，形状像花瓣，而且非常的薄，它们相当于心脏中房与房之间和心室与大动脉之间的大门，只能沿着血液流动的方向开启，保证血液顺着一个方向通过心脏，防止血液逆流。正常心脏瓣膜的开放和关闭有赖于瓣膜、瓣环以及腱索和乳头肌等结构，当心脏瓣膜出现结构或功能改变时，血液无法顺利排出，或者排出去的血液逆流回来,而使心脏负荷加重, 就会引发瓣膜性心脏病。[1]

此前，瑞士苏黎世理工大学通过3D打印硅胶材料的心脏瓣膜，旨在提高材料的抗血凝性以及提高人工心脏瓣膜的寿命。近日，慕尼黑工业大学开发出一种新形式的 3D 打印心脏瓣膜。这些新的人造器官部件旨在让患者自己的细胞有可能形成新细胞。

3D打印心脏瓣膜
© 慕尼黑工业大学

根据3D科学谷，根据患者的解剖结构进行定制，并实现复杂的仿生设计结构。3D打印心脏瓣膜在实现提高材料的抗血凝性、提高人工心脏瓣膜的寿命、提高生物相容性方面开辟了一条新的探索之路。

3D打印心脏瓣膜

根据3D科学谷的市场了解，市场上大多数聚合物瓣膜材料尚未达到天然组织的性能，它们仍然会引起血栓和钙化问题，并且在血流循环负荷下，聚合物瓣膜易失效。虽然研究人员致力于找到具有更佳性能的聚合物瓣膜材料，但制造这类人工心脏瓣膜的成本仍然非常高，针对患者的个体化特点进行定制化的制造也难以实现。

慕尼黑工业大学最近宣布，他们已经开发出一种新形式的 3D 打印心脏瓣膜，模仿天然心脏瓣膜的复杂性，3D打印瓣膜让患者的细胞渗入支架，从而与患者身体的其他部分一起生长，有可能减少与移植相关的许多并发症。

3D打印心脏瓣膜
© 慕尼黑工业大学

随着3D打印-增材制造技术在医疗领域的使用呈指数级增长，这项技术正在使科学家和医生能够探索几年前完全无法想象的可能性。

然而，尽管 3D 打印已经成功应用于假肢制造和植入物等领域，但内科等其他领域，尤其是生物3D打印的概念，仍在探索之中，慕尼黑工大大学这项3D 打印心脏瓣膜的研究代表了该领域向前迈出的重要一步。

包括慕尼黑工业大学 (TUM) 医学材料和植入物教授 Petra Mela 和西澳大利亚大学的 Elena De-Juan Pardo 教授在内的一组研究人员一直致力于创造 3D 打印心脏瓣膜，通过将增材制造技术与特殊的可生物降解材料结合使用，专业人员能够制造出复制人体器官独特复杂性的植入物。考虑到仅在美国每年就有 182,00 例心脏瓣膜置换手术，这项研究一旦可行就可以帮助挽救许多生命。

细节非常精细

尽管可能已经存在其他类型的心脏瓣膜植入物，但使用这些植入物总是伴随着不同的并发症。例如，机械瓣膜容易在金属表面形成血栓，这可能导致严重的并发症。除此之外，患者还必须终生使用血液稀释药物，以及身体活动的限制。

3D打印心脏瓣膜
© 3D科学谷白皮书

目前的心脏瓣膜不会随着患者的生长而生长，并且必须在多年的多次手术中进行更换。慕尼黑工业大学和西澳大利亚大学的目标是设计仿生心脏瓣膜，以支持患者新功能组织的形成。儿童将特别受益于这种解决方案，因为相比之下，3D打印的心脏瓣膜模仿天然心脏瓣膜的复杂性，旨在让患者自己的细胞渗入支架。

使用特殊的 AM-增材制造技术

为了能够模仿人体器官的精细生物结构，研究人员转向了一种全新的增材制造技术，称为熔融电场直写3D打印技术。

本质上，这是一种挤出工艺，其中聚合物被加热、熔化并以液体喷射的形式从打印头中推出。然而，这种工艺的特别之处在于使用了高压电场，该电场应用于喷射，使所得纤维薄至 5 到 50 微米，从而使机器能够打印极其详细的图案并产生非常精确的图案。为了确保植入物使用最好的材料，该团队选择使用与细胞相容且可生物降解的医用级聚己内酯 (PCL)。

如前所述，长期目标是为儿童制造植入物，可以留在体内并与患者一起成长。希望在一段时间后，细胞会沉淀在比 PCL 结构的孔隙更小的微孔空间中。尽管还有很长的路要走，但该团队相信这对于患有心脏瓣膜疾病的人来说将是一个很大的改善，他们很快就会进行动物试验。

参考资料：

[1] 美敦力. 瓣膜性心脏疾病健康知识普及系列. https://www.medtronic.com/cn-zh/your-health/conditions/heart-valve-disease.html

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