Vědci z Minnesotské univerzity s podporou společnosti Medtronic vyvinuli průlomový postup pro multimateriálový 3D tisk realistických modelů srdeční aortální chlopně a okolních struktur, které přesně napodobují vzhled a pocit skutečného pacienta.
Tyto modely orgánů specifické pro pacienta, které obsahují 3D tištěné měkké senzorové soustavy integrované do struktury, jsou vyráběny pomocí specializovaných inkoustů a přizpůsobeného procesu 3D tisku. Takové modely mohou být použity při přípravě na minimálně invazivní zákroky ke zlepšení výsledků u tisíců pacientů po celém světě.
Výzkum byl publikován v Science Advances, recenzovaném vědeckém časopise vydávaném Americkou asociací pro rozvoj vědy (AAAS).
Vědci vytiskli 3D tiskem tzv. kořen aorty, tedy část aorty, která je nejblíže srdci a je k němu připojena. Kořen aorty se skládá z aortální chlopně a otvorů pro věnčité tepny. Aortální chlopeň má tři chlopně, tzv. lístky, obklopené vláknitým prstencem. Model zahrnoval také část svaloviny levé komory a vzestupnou aortu.
„Naším cílem u těchto 3D tištěných modelů je snížit lékařská rizika a komplikace tím, že poskytneme lékařům nástroje specifické pro pacienta, které jim pomohou pochopit přesnou anatomickou strukturu a mechanické vlastnosti srdce konkrétního pacienta,“ řekl Michael McAlpine, profesor strojního inženýrství na Minnesotské univerzitě a vedoucí výzkumný pracovník studie. „Lékaři mohou testovat a zkoušet chlopňové implantáty ještě před samotným zákrokem. Modely mohou také pomoci pacientům lépe porozumět jejich vlastní anatomii a samotnému zákroku.“
Tento model orgánu byl speciálně navržen tak, aby pomohl lékařům připravit se na zákrok zvaný transkatetrová náhrada aortální chlopně (TAVR), při kterém je nová chlopeň umístěna do pacientovy původní aortální chlopně. Tento zákrok se používá k léčbě onemocnění zvaného aortální stenóza, ke kterému dochází, když se srdeční aortální chlopeň zúží a brání plnému otevření chlopně, což snižuje nebo blokuje průtok krve ze srdce do hlavní tepny. Aortální stenóza je jedním z nejčastějších kardiovaskulárních onemocnění u starších osob a v Severní Americe postihuje přibližně 2,7 milionu dospělých osob starších 75 let. Zákrok TAVR je méně invazivní než otevřená operace srdce, při níž se poškozená chlopeň opravuje.
Modely kořene aorty se vyrábějí pomocí CT snímků pacienta, aby přesně odpovídaly jeho tvaru. Poté jsou vytištěny ve 3D pomocí specializovaných inkoustů na bázi silikonu, které mechanicky odpovídají pocitům skutečné srdeční tkáně, kterou vědci získali z laboratoří Visible Heart na Minnesotské univerzitě. Komerční tiskárny, které jsou v současné době na trhu, dokáží vytisknout 3D tvar, ale používají inkousty, které jsou často příliš tuhé na to, aby odpovídaly měkkosti skutečné srdeční tkáně.
Na druhou stranu, specializované 3D tiskárny na Minnesotské univerzitě dokázaly napodobit jak měkké tkáňové komponenty modelu, tak i tvrdou kalcifikaci na chlopenních chlopních, a to tiskem inkoustu podobného spárovací pastě používané ve stavebnictví k opravám sádrokartonu a omítek.
Lékaři mohou modely použít k určení velikosti a umístění chlopenního zařízení během zákroku. Integrované senzory, které jsou vytištěny ve 3D modelu, poskytují lékařům elektronickou tlakovou zpětnou vazbu, která může být použita k vedení a optimalizaci výběru a umístění chlopně v anatomii pacienta.
Ale McAlpine to nepovažuje za konec cesty pro tyto 3D tištěné modely.
„Jak se naše techniky 3D tisku budou dále zdokonalovat a my budeme objevovat nové způsoby integrace elektroniky, která napodobuje funkci orgánů, mohou být modely samy o sobě používány jako umělé náhradní orgány,“ řekl McAlpine, který je profesorem Kuhrmeyer Family Chair na katedře strojního inženýrství Minnesotské univerzity. „Jednou možná budou tyto ‚bionické‘ orgány stejně dobré nebo lepší než jejich biologické protějšky.“
Kromě McAlpineho byli členy týmu výzkumníci z Minnesotské univerzity Ghazaleh Haghiashtiani, spoluautor a čerstvý doktor strojního inženýrství. který nyní pracuje ve společnosti Seagate; Kaiyan Qiu, další spoluautor a bývalý postdoktorand strojního inženýrství, který nyní působí jako odborný asistent na Washingtonské státní univerzitě; Jorge D. Zhingre Sanchez, bývalý doktorand biomedicínského inženýrství, který pracoval v laboratořích Visible Heart na Minnesotské univerzitě a nyní působí jako vedoucí inženýr R&D ve společnosti Medtronic; Zachary J. Fuenning, postgraduální student strojního inženýrství; Paul A. Iaizzo, profesor chirurgie na lékařské fakultě a zakládající ředitel laboratoří U of M Visible Heart Laboratories; Priya Nair, vedoucí vědecká pracovnice společnosti Medtronic; a Sarah E. Ahlberg, ředitelka výzkumné &technologie společnosti Medtronic.
Tento výzkum byl financován společností Medtronic, Národním institutem biomedicínského zobrazování a bioinženýrství Národního institutu zdraví a iniciativou Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) prostřednictvím státu Minnesota. Další podporu poskytly University of Minnesota Interdisciplinary Doctoral Fellowship a Doctoral Dissertation Fellowship udělené Ghazaleh Haghiashtiani.
Pro přečtení celého výzkumného článku s názvem „3D printed patient-specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications“ navštivte webové stránky Science Advances.