Forskere fra University of Minnesota har med støtte fra Medtronic udviklet en banebrydende proces til 3D-printning med flere materialer af livagtige modeller af hjertets aortaklap og de omkringliggende strukturer, der efterligner en ægte patients udseende og følelse.
Disse patientspecifikke organmodeller, som omfatter 3D-printede bløde sensormodeller, der er integreret i strukturen, fremstilles ved hjælp af specialiserede trykfarver og en tilpasset 3D-printproces. Sådanne modeller kan bruges som forberedelse til minimalt invasive procedurer for at forbedre resultaterne hos tusindvis af patienter verden over.
Forskningen er offentliggjort i Science Advances, et peer-reviewed videnskabeligt tidsskrift, der udgives af American Association for the Advancement of Science (AAAS).
Forskerne 3D-printede det, der kaldes aortakroppen, den del af aorta, der er tættest på og knyttet til hjertet. Aortakroppen består af aortaklappen og åbningerne til kranspulsårerne. Aortaklappen har tre klapper, kaldet foldere, der er omgivet af en fibrøs ring. Modellen omfattede også en del af venstre ventrikelmuskel og den opstigende aorta.
“Vores mål med disse 3D-printede modeller er at reducere medicinske risici og komplikationer ved at levere patientspecifikke værktøjer, der kan hjælpe lægerne med at forstå den nøjagtige anatomiske struktur og de mekaniske egenskaber af den specifikke patients hjerte”, siger Michael McAlpine, professor i maskinteknik ved University of Minnesota og seniorforsker på undersøgelsen. “Lægerne kan teste og afprøve klapimplantaterne før den egentlige procedure. Modellerne kan også hjælpe patienterne til bedre at forstå deres egen anatomi og selve proceduren.”
Denne organmodel blev specielt designet til at hjælpe lægerne med at forberede sig på en procedure kaldet Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR), hvor en ny klap placeres inde i patientens oprindelige aortaklap. Proceduren bruges til at behandle en tilstand kaldet aortastenose, der opstår, når hjertets aortaklap bliver smallere og forhindrer klappen i at åbne helt, hvilket reducerer eller blokerer for blodgennemstrømningen fra hjertet til hovedpulsåren. Aortastenose er en af de mest almindelige kardiovaskulære tilstande hos ældre og rammer ca. 2,7 millioner voksne over 75 år i Nordamerika. TAVR-proceduren er mindre invasiv end åben hjertekirurgi for at reparere den beskadigede klap.
Aortaklappens rodmodeller fremstilles ved hjælp af CT-scanninger af patienten for at matche den nøjagtige form. De bliver derefter 3D-printet ved hjælp af specialiseret silikonebaseret blæk, der mekanisk matcher følelsen af ægte hjertevæv, som forskerne har fået fra University of Minnesota’s Visible Heart Laboratories. Kommercielle printere, der i øjeblikket findes på markedet, kan 3D-printe formen, men bruger blæk, der ofte er for stift til at matche det rigtige hjertevævs blødhed.
På den anden side var de specialiserede 3D-printere på University of Minnesota i stand til at efterligne både de bløde vævskomponenter i modellen og den hårde forkalkning på klapklapperne ved at printe en blæk, der ligner spartelmasse, som bruges i byggeriet til at reparere gipsvægge og gips.
Læger kan bruge modellerne til at bestemme størrelsen og placeringen af klapanordningen under indgrebet. Integrerede sensorer, der er 3D-printet i modellen, giver lægerne den elektroniske trykfeedback, der kan bruges til at styre og optimere valget og placeringen af klappen i patientens anatomi.
Men McAlpine ser ikke dette som enden på vejen for disse 3D-printede modeller.
“Efterhånden som vores 3D-printteknikker fortsat forbedres, og vi opdager nye måder at integrere elektronik på for at efterligne organernes funktion, kan modellerne selv blive brugt som kunstige erstatningsorganer”, siger McAlpine, der er indehaver af Kuhrmeyer Family Chair-professoratet ved University of Minnesota Department of Mechanical Engineering. “En dag kan disse “bioniske” organer måske være lige så gode som eller bedre end deres biologiske modstykker.”
Ud over McAlpine omfattede holdet forskerne fra University of Minnesota Ghazaleh Haghiashtiani, medførste forfatter og nyligt ph.d. i maskinteknik. ph.d.-studerende i maskinteknik, som nu arbejder hos Seagate; Kaiyan Qiu, en anden medforfatter og tidligere postdoc i maskinteknik, som nu er assisterende professor ved Washington State University; Jorge D. Zhingre Sanchez, en tidligere ph.d.-studerende i biomedicinsk teknik, som arbejdede i University of Minnesota’s Visible Heart Laboratories, og som nu er senior R&D ingeniør hos Medtronic; Zachary J. Fuenning, en kandidatstuderende i maskinteknik; Paul A. Iaizzo, professor i kirurgi på det medicinske fakultet og grundlægger af U of M Visible Heart Laboratories; Priya Nair, seniorforsker hos Medtronic; og Sarah E. Ahlberg, direktør for forskningsteknologi hos Medtronic.
Denne forskning blev finansieret af Medtronic, National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering of the National Institutes of Health og Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) Initiative gennem staten Minnesota. Yderligere støtte blev ydet af University of Minnesota Interdisciplinary Doctoral Fellowship og Doctoral Dissertation Fellowship, der blev tildelt Ghazaleh Haghiashtiani.
For at læse hele forskningsartiklen med titlen “3D-printede patientspecifikke aortakrodsmodeller med interne sensorer til minimalt invasive anvendelser” kan du besøge Science Advances-webstedet.