Des chercheurs de l’Université du Minnesota, avec le soutien de Medtronic, ont mis au point un processus révolutionnaire pour l’impression 3D multi-matériaux de modèles réalistes de la valvule aortique du cœur et des structures environnantes qui imitent l’aspect et le toucher exacts d’un vrai patient.
Ces modèles d’organes spécifiques aux patients, qui comprennent des réseaux de capteurs souples imprimés en 3D intégrés dans la structure, sont fabriqués à l’aide d’encres spécialisées et d’un processus d’impression 3D personnalisé. De tels modèles peuvent être utilisés en préparation de procédures mini-invasives pour améliorer les résultats chez des milliers de patients dans le monde.
La recherche est publiée dans Science Advances, une revue scientifique évaluée par les pairs et publiée par l’American Association for the Advancement of Science (AAAS).
Les chercheurs ont imprimé en 3D ce qu’on appelle la racine aortique, la section de l’aorte la plus proche et attachée au cœur. La racine aortique est constituée de la valve aortique et des ouvertures pour les artères coronaires. La valve aortique comporte trois volets, appelés folioles, entourés d’un anneau fibreux. Le modèle comprenait également une partie du muscle du ventricule gauche et l’aorte ascendante.
« Notre objectif avec ces modèles imprimés en 3D est de réduire les risques médicaux et les complications en fournissant des outils spécifiques aux patients pour aider les médecins à comprendre la structure anatomique exacte et les propriétés mécaniques du cœur du patient spécifique », a déclaré Michael McAlpine, professeur d’ingénierie mécanique à l’Université du Minnesota et chercheur principal de l’étude. « Les médecins peuvent tester et essayer les implants valvulaires avant la procédure réelle. Les modèles peuvent également aider les patients à mieux comprendre leur propre anatomie et la procédure elle-même. »
Ce modèle d’organe a été spécifiquement conçu pour aider les médecins à se préparer à une procédure appelée remplacement transcathéter de la valve aortique (TAVR), dans laquelle une nouvelle valve est placée à l’intérieur de la valve aortique native du patient. Cette procédure est utilisée pour traiter une affection appelée sténose aortique, qui se produit lorsque la valve aortique du cœur se rétrécit et empêche la valve de s’ouvrir complètement, ce qui réduit ou bloque le flux sanguin du cœur vers l’artère principale. La sténose aortique est l’une des affections cardiovasculaires les plus courantes chez les personnes âgées et touche environ 2,7 millions d’adultes de plus de 75 ans en Amérique du Nord. La procédure TAVR est moins invasive que la chirurgie à cœur ouvert pour réparer la valve endommagée.
Les modèles de racine aortique sont réalisés en utilisant des tomodensitogrammes du patient pour correspondre à la forme exacte. Ils sont ensuite imprimés en 3D à l’aide d’encres spécialisées à base de silicone qui correspondent mécaniquement à la sensation du vrai tissu cardiaque que les chercheurs ont obtenu des laboratoires Visible Heart de l’Université du Minnesota. Les imprimantes commerciales actuellement sur le marché peuvent imprimer en 3D la forme, mais utilisent des encres souvent trop rigides pour correspondre à la douceur du vrai tissu cardiaque.
D’un autre côté, les imprimantes 3D spécialisées de l’Université du Minnesota ont pu imiter à la fois les composants de tissu mou du modèle, ainsi que la calcification dure sur les volets de la valve en imprimant une encre similaire à la pâte à reboucher utilisée dans la construction pour réparer les cloisons sèches et le plâtre.
Les médecins peuvent utiliser les modèles pour déterminer la taille et le placement du dispositif de la valve pendant la procédure. Les capteurs intégrés qui sont imprimés en 3D dans le modèle donnent aux médecins le retour de pression électronique qui peut être utilisé pour guider et optimiser la sélection et le positionnement de la valve dans l’anatomie du patient.
Mais McAlpine ne voit pas cela comme la fin de la route pour ces modèles imprimés en 3D.
« Comme nos techniques d’impression 3D continuent de s’améliorer et que nous découvrons de nouvelles façons d’intégrer l’électronique pour imiter la fonction de l’organe, les modèles eux-mêmes peuvent être utilisés comme organes de remplacement artificiels », a déclaré McAlpine, qui est titulaire de la chaire de la famille Kuhrmeyer au département de génie mécanique de l’Université du Minnesota. « Un jour, peut-être, ces organes « bioniques » pourront être aussi bons, voire meilleurs, que leurs homologues biologiques. »
En plus de McAlpine, l’équipe comprenait des chercheurs de l’Université du Minnesota, Ghazaleh Haghiashtiani, coauteur principal et récent titulaire d’un doctorat en génie mécanique qui travaille maintenant chez Seagate. qui travaille maintenant chez Seagate ; Kaiyan Qiu, un autre coauteur principal et un ancien chercheur postdoctoral en génie mécanique qui est maintenant professeur adjoint à l’Université d’État de Washington ; Jorge D. Zhingre Sanchez, un ancien étudiant en doctorat en génie biomédical qui a travaillé dans les laboratoires du cœur visible de l’Université du Minnesota et qui est maintenant un ingénieur principal en R&D chez Medtronic ; Zachary J. Fuenning, étudiant diplômé en génie mécanique ; Paul A. Iaizzo, professeur de chirurgie à la faculté de médecine et directeur fondateur des Laboratoires du cœur visible de l’U de M ; Priya Nair, scientifique principal chez Medtronic ; et Sarah E. Ahlberg, directrice de la recherche &technique chez Medtronic.
Cette recherche a été financée par Medtronic, le National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering des National Institutes of Health, et l’initiative Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) par le biais de l’État du Minnesota. Un soutien supplémentaire a été fourni par la bourse de doctorat interdisciplinaire de l’Université du Minnesota et la bourse de thèse de doctorat accordée à Ghazaleh Haghiashtiani.
Pour lire l’article de recherche complet, intitulé « 3D printed patient-specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications », visitez le site Web Science Advances.