精准医疗:定制3D打印的心脏复制品 个性化开发心脏理想治疗方案

没有两颗心是一样的。心脏的大小和形状因人而异。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工作以克服任何受损的功能。在心脏手术如瓣膜植入时，临床医生选择的植入物可能会因心脏差异而有不同效果。麻省理工学院的工程师们希望通过复制患者的心脏复制品，帮助医生根据患者特定的心脏形态和功能量身定制治疗方案。该团队开发了一种程序，可以根据患者心脏的医学图像用3D打印出柔软而灵活的患者心脏复制品，可以控制复制品的动作来模仿病人的血液输送能力，分析比较不同类型大小的植入物，看看哪种效果最好，帮助临床医生决策。

该过程首先包括将患者心脏的医学图像转换为三维计算机模型，然后研究人员使用基于聚合物的墨水进行3D打印。其结果是一个柔软、灵活的外壳，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大动脉。为了模拟心脏的泵送动作，研究小组制作了类似于血压计袖带的套筒，将打印出来的心脏和主动脉包裹起来。当套筒连接到气动系统时，研究人员可以调节流出的空气，有节奏地使套筒膨胀，并模仿心脏的泵送动作收缩心脏。在打印的主动脉周围还可以用单独的套筒充气以模拟收缩血管。这种收缩可以调节并模拟主动脉瓣狭窄(一种主动脉瓣狭窄的情况)，导致心脏更努力地工作以迫使血液通过身体。

医生通常通过手术植入一个人造瓣膜以扩大主动脉的天然瓣膜，来治疗主动脉狭窄。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，看看哪种设计的功能最好，适合特定的患者。研究实验室和医疗设备行业也可以使用心脏复制品作为测试各种心脏病疗法的现实平台。

麻省理工学院-哈佛健康科学与技术项目的研究生Rosalia说：“每个人的心都是不同的，有很大的差异，尤其是当病人生病的时候。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。”Rosalia和他的同事将他们的研究结果发表在今天的《科学机器人》杂志上。

打印和泵

2020年1月，由机械工程教授Ellen Roche领导的团队成员开发了一种“生物机器人混合心脏”——一种心脏的普通复制品，由含有小型充气圆筒的合成肌肉制成，他们可以控制这些圆筒来模拟真正心脏的收缩。随后的Covid-19大流行迫使Ellen Roche实验室以及校园内的大多数其他实验室暂时关闭。Rosalia没有被吓倒，继续在家里调整这个让人心跳加速的设计。“那年3月，我在宿舍里重新设计了整个系统。”几个月后，实验室重新开放，研究小组继续工作，努力改善对心脏泵送套的控制，他们在动物和计算模型上进行了测试。然后，他们扩展了他们的方法，开发出针对个别患者的心脏复制品。为此，他们转向了3D打印。“在医疗领域，人们对使用3D打印技术精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

在这项新研究中，研究小组利用3D打印技术制作了真实患者心脏的复制品。他们使用了一种聚合物墨水，一旦打印和固化，就可以挤压和拉伸，类似于真正的心脏跳动。研究人员使用了15名被诊断患有主动脉狭窄的患者的医学扫描结果作为他们的原始材料。研究小组将每位患者的图像转换为患者左心室(心脏的主要泵腔)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，以生成一个柔软的、解剖学上准确的心室和血管外壳。该团队还制作了套筒来包裹打印的形式。他们量身定制了每个套筒的口袋，当包裹在各自的形状上并连接到一个小型空气泵系统时，套筒可以分别调整，以真实地模拟收缩舒张打印的心脏模型。

研究人员表示，对于每个模型心脏，他们都可以准确地重现之前在每个患者身上测量到的实际心脏泵压和流量。“能够匹配患者的流量和压力非常令人鼓舞。”“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。”

研究小组进一步模拟了部分患者所接受的一些干预措施—— 一些患者接受了瓣膜植入以拓宽主动脉——他们想观察打印的心脏和血管是否以同样的方式做出反应。他们在打印的主动脉中植入了类似的瓣膜，这些瓣膜是按照每个病人的模型制作的。当他们激活打印的心脏泵时，他们观察到植入的瓣膜产生的流量与实际患者在手术植入后产生的流量相似。

最后，该团队使用驱动打印心脏来比较不同大小的植入物，看看哪种植入物会产生最佳的适合度和流量。合著者Nguyen说:“患者将进行成像，我们将用它来制作这个系统，理想情况下是在一天之内。”“一旦它开始运行，临床医生就可以测试不同的瓣膜类型和大小，看看哪种效果最好，然后用它来植入。”针对患者的心脏复制品可以帮助开发和确定针对具有独特和具有挑战性的心脏几何形状的个体的理想治疗方法。“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。”

这项研究得到了美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院和美国国家心肺血液研究所的部分支持。