Forscher der University of Minnesota haben mit Unterstützung von Medtronic ein bahnbrechendes Verfahren für den Multimaterial-3D-Druck lebensechter Modelle der Aortenklappe des Herzens und der umgebenden Strukturen entwickelt, die das genaue Aussehen und Gefühl eines echten Patienten nachahmen.
Diese patientenspezifischen Organmodelle, die in die Struktur integrierte 3D-gedruckte weiche Sensorarrays enthalten, werden mit speziellen Tinten und einem maßgeschneiderten 3D-Druckverfahren hergestellt. Solche Modelle können zur Vorbereitung auf minimal-invasive Eingriffe verwendet werden, um die Ergebnisse bei Tausenden von Patienten weltweit zu verbessern.
Die Forschungsergebnisse werden in Science Advances veröffentlicht, einer von Experten begutachteten wissenschaftlichen Zeitschrift, die von der American Association for the Advancement of Science (AAAS) herausgegeben wird.
Die Forscher haben die so genannte Aortenwurzel, den Abschnitt der Aorta, der dem Herzen am nächsten liegt und mit ihm verbunden ist, in 3D gedruckt. Die Aortenwurzel besteht aus der Aortenklappe und den Öffnungen für die Herzkranzgefäße. Die Aortenklappe besteht aus drei Klappen, den so genannten Segelklappen, die von einem Faserring umgeben sind. Das Modell enthielt auch einen Teil des linken Ventrikelmuskels und der aufsteigenden Aorta.
„Unser Ziel mit diesen 3D-gedruckten Modellen ist es, medizinische Risiken und Komplikationen zu reduzieren, indem wir patientenspezifische Hilfsmittel bereitstellen, die den Ärzten helfen, die genaue anatomische Struktur und die mechanischen Eigenschaften des Herzens des jeweiligen Patienten zu verstehen“, sagte Michael McAlpine, ein Maschinenbau-Professor der University of Minnesota und leitender Forscher der Studie. „Die Ärzte können die Klappenimplantate vor dem eigentlichen Eingriff testen und ausprobieren.
Dieses Organmodell wurde speziell entwickelt, um den Ärzten bei der Vorbereitung auf ein Verfahren namens Transkatheter-Aortenklappenersatz (TAVR) zu helfen, bei dem eine neue Klappe in die ursprüngliche Aortenklappe des Patienten eingesetzt wird. Das Verfahren dient der Behandlung einer Aortenstenose, die auftritt, wenn die Aortenklappe des Herzens verengt ist und sich nicht mehr vollständig öffnen kann, wodurch der Blutfluss vom Herzen in die Hauptarterie verringert oder blockiert wird. Die Aortenstenose ist eine der häufigsten Herz-Kreislauf-Erkrankungen bei älteren Menschen und betrifft in Nordamerika etwa 2,7 Millionen Erwachsene über 75 Jahre. Das TAVR-Verfahren ist weniger invasiv als eine Operation am offenen Herzen, um die beschädigte Klappe zu reparieren.
Die Modelle der Aortenwurzel werden anhand von CT-Scans des Patienten erstellt, um die genaue Form zu bestimmen. Anschließend werden sie mit speziellen silikonbasierten Tinten in 3D gedruckt, die sich mechanisch wie echtes Herzgewebe anfühlen, das die Forscher von den Visible Heart Laboratories der University of Minnesota erhalten haben. Kommerzielle Drucker, die derzeit auf dem Markt sind, können die Form in 3D drucken, verwenden aber Tinten, die oft zu starr sind, um die Weichheit des echten Herzgewebes zu erreichen.
Die spezialisierten 3D-Drucker an der Universität von Minnesota konnten dagegen sowohl die weichen Gewebekomponenten des Modells als auch die harte Verkalkung auf den Klappen nachahmen, indem sie eine Tinte druckten, die der Spachtelmasse ähnelt, die im Bauwesen zur Reparatur von Trockenbauwänden und Gips verwendet wird.
Ärzte können die Modelle verwenden, um die Größe und Platzierung der Klappenvorrichtung während des Eingriffs zu bestimmen. Integrierte Sensoren, die in das Modell 3D-gedruckt sind, geben den Ärzten ein elektronisches Druckfeedback, mit dem sie die Auswahl und Positionierung des Ventils in der Anatomie des Patienten steuern und optimieren können.
McAlpine sieht dies jedoch nicht als das Ende des Weges für diese 3D-gedruckten Modelle.
„Wenn unsere 3D-Drucktechniken weiter verbessert werden und wir neue Möglichkeiten zur Integration von Elektronik zur Nachahmung von Organfunktionen entdecken, können die Modelle selbst als künstliche Ersatzorgane verwendet werden“, so McAlpine, der den Kuhrmeyer Family Chair Chair an der Fakultät für Maschinenbau der University of Minnesota innehat. „Eines Tages können diese ‚bionischen‘ Organe vielleicht genauso gut oder sogar besser sein als ihre biologischen Gegenstücke.“
Neben McAlpine gehörten zu dem Team auch Ghazaleh Haghiashtiani, Ko-Erstautorin und kürzlich promovierte Maschinenbauingenieurin, die jetzt bei Seagate arbeitet. Kaiyan Qiu, ein weiterer Erstautor und ehemaliger Postdoktorand im Bereich Maschinenbau, der jetzt Assistenzprofessor an der Washington State University ist; Jorge D. Zhingre Sanchez, ein ehemaliger Doktorand im Bereich Biomedizintechnik, der in den Visible Heart Laboratories der Universität von Minnesota gearbeitet hat und jetzt leitender F&D-Ingenieur bei Medtronic ist; Zachary J. Fuenning, Doktorand des Maschinenbaus; Paul A. Iaizzo, Professor für Chirurgie an der Medizinischen Fakultät und Gründungsdirektor der Visible Heart Laboratories der Universität von Minnesota; Priya Nair, leitende Wissenschaftlerin bei Medtronic; und Sarah E. Ahlberg, Direktorin für Forschungstechnologie bei Medtronic.
Diese Forschung wurde von Medtronic, dem National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering der National Institutes of Health und der Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) Initiative durch den Staat Minnesota finanziert. Zusätzliche Unterstützung erhielt Ghazaleh Haghiashtiani von der University of Minnesota durch ein interdisziplinäres Promotionsstipendium und ein Dissertationsstipendium.
Den vollständigen Forschungsbericht mit dem Titel „3D-gedruckte patientenspezifische Aortenwurzelmodelle mit internen Sensoren für minimalinvasive Anwendungen“ finden Sie auf der Website Science Advances.