3D打印仿生人工心臟瓣膜技術研究

魔猴君  行業資訊   1915天前

人工心臟瓣膜分為機械瓣膜、生物瓣膜，以及組織工程瓣膜，但無論哪種技術都存在尚未完善之處，所以對理想心臟瓣膜材料的研究還在繼續。在人工心臟瓣膜領域，研究者的主要是圍繞著提高材料的抗血凝性以及提高人工心臟瓣膜的壽命這兩個目標。根據魔猴網的市場研究，蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊提出一種多功能、多材料3D打印技術制造的有機硅心臟瓣膜，通過仿生的特殊設計來實現瓣葉的定制，并通過設計對整個小葉的應力分布進行控制，從而潛在的增加人工瓣膜的壽命。

3D打印有機硅心臟瓣膜。來源：Matter

多功能3D打印實現復雜仿生設計

瓣膜是心臟內部一個非常重要的結構，形狀像花瓣，而且非常的薄，它們相當于心臟中房與房之間和心室與大動脈之間的大門，只能沿著血液流動的方向開啟，保證血液順著一個方向通過心臟，防止血液逆流。正常心臟瓣膜的開放和關閉有賴于瓣膜、瓣環以及腱索和乳頭肌等結構，當心臟瓣膜出現結構或功能改變時，血液無法順利排出，或者排出去的血液逆流回來,而使心臟負荷加重, 就會引發瓣膜性心臟病。[1]

瓣膜性心臟病嚴重而不能用瓣膜分離手術或修補手術恢復或改善瓣膜功能時,則須采用人工心臟瓣膜置換術。

蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊在研究論文中表示，目前臨床中使用的機械心臟瓣膜（MHV）在結構上是耐用的，但在血液上引起高剪切應力，并容易引起溶血和血液凝固，因此接受機械心臟瓣膜植入的患者需要終生服用抗凝藥物。

生物瓣膜是一種采用生物體非存活組織的瓣膜，包括同種異體瓣膜、自體移植瓣膜和異種瓣膜。常見異種瓣膜包括牛心包瓣膜、豬主動脈瓣等。瓣膜制成后需要鑲在特制的瓣架上。生物瓣膜具有較好的生物相容性，只需短期抗凝，血流動力學性能更為優良，但容易出現鈣化、破損以及撕裂等問題。雖然近年來生物瓣膜結合經導管介入技術，能夠實現微創治療，但生物瓣膜的鈣化問題仍然有待解決。

仿生3D打印瓣膜的多尺度設計。來源：Matter

還有一種新興的人工瓣膜是組織工程瓣膜，這種瓣膜采用干細胞與組織工程支架相結合，可針對患者解剖結構定制，細胞能夠根據患者的需要進行適應，重塑和生長，支架則逐漸在體內降解。但這一技術仍處在早期，還存在支架高分子材料表面缺乏細胞識別位點等原因，導致影響種植細胞在其表面粘附生長、種植細胞易于脫落等問題，此外還存在機械強度不足而引起無菌性炎癥反應等問題。[2]

蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊在論文中指出，聚合物人工心臟瓣膜既具有機械性的優異耐久性，又像生物瓣膜那樣具有增強的血液動力學功能。在人工心臟瓣膜領域，已有對于聚合物材料的應用，例如機械瓣膜中的聚四氟乙烯（PTFE）縫合環。

然而，其中大多數聚合物瓣膜材料尚未達到天然組織的性能，它們仍然會引起血栓和鈣化問題，并且在血流循環負荷下，聚合物瓣膜易失效。雖然研究人員致力于找到具有更佳性能的聚合物瓣膜材料，但制造這類人工心臟瓣膜的成本仍然非常高，針對患者的個體化特點進行定制化的制造也難以實現。

有機硅心臟瓣膜的3D打印過程。來源：Matter

在此背景下，蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊提出了一種多功能、多材料3D打印技術，用于聚合物人工心臟瓣膜的數字化制造。研究團隊使用具有可調機械性能以及生物相容性的有機硅為打印材料，打印工藝基于材料噴射和擠出。

有機硅瓣膜的多功能3D打印工藝（左）

具有仿生結構的3D打印有機硅心臟瓣膜（右）

這一技術的特點是，可完全根據患者的解剖結構進行定制，并實現復雜的仿生設計結構。研究團隊在試驗中采用的瓣膜打印材料為一種有機硅材料，這種有機硅瓣膜具有可定制的幾何形狀和瓣葉結構，類似于天然瓣膜組織。

不同瓣葉結構的心臟循環期有限元計算機模擬。來源：Matter

計算機模擬顯示，這種仿生的瓣葉結構能夠影響整個瓣膜的應力分布，從而最大限度地減少心臟循環期間瓣葉的應力，潛在地增加假體瓣膜的壽命。研究團隊的計算分析通過脈沖復制器中的體外實驗來補充，以證明在生理壓力循環下3D打印有機硅心臟瓣膜的出色血液動力學性能。

研究團隊在論文中表示，總體而言，這種3D打印技術提供了一個人工心臟瓣膜的獨特平臺，所制造的瓣膜更接近生物醫學植入物的復雜多尺度結構和功能。

研究論文”Bioinspired Heart Valve Prosthesis Made by Silicone Additive Manufacturing” 發表于《Cell》子刊《Matter 》的7月刊。

參考資料：

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

[2] 盧永要，崔振鐸等.各種材料在人工心臟瓣膜中的應用.