A Minnesotai Egyetem kutatói a Medtronic támogatásával úttörő eljárást fejlesztettek ki a szív aortabillentyűjének és a környező struktúrák élethű modelljeinek több anyagból történő 3D-nyomtatására, amelyek pontosan utánozzák a valódi betegek kinézetét és tapintását.
E betegspecifikus szervmodelleket, amelyek a szerkezetbe integrált 3D-nyomtatott puha érzékelőtömböket tartalmaznak, speciális tinták és egy testre szabott 3D-nyomtatási eljárás segítségével állítják elő. Az ilyen modelleket a minimálisan invazív eljárások előkészítésekor lehet használni, hogy világszerte több ezer betegnél javítsák az eredményeket.
A kutatás a Science Advances című, az Amerikai Tudományfejlesztési Társaság (AAAS) által kiadott, lektorált tudományos folyóiratban jelent meg.
A kutatók 3D-ben nyomtatták ki az úgynevezett aorta gyökerét, az aortának a szívhez legközelebb eső és ahhoz csatlakozó szakaszát. Az aortagyökér az aortabillentyűből és a koszorúerek nyílásaiból áll. Az aortabillentyű három lebenyből, úgynevezett lapocskákból áll, amelyeket egy rostos gyűrű vesz körül. A modell a bal kamra izomzatának és a felszálló aortának egy részét is tartalmazta.
“A célunk ezekkel a 3D-nyomtatott modellekkel az, hogy csökkentsük az orvosi kockázatokat és komplikációkat azáltal, hogy betegspecifikus eszközöket biztosítunk, amelyek segítségével az orvosok megérthetik az adott beteg szívének pontos anatómiai szerkezetét és mechanikai tulajdonságait” – mondta Michael McAlpine, a Minnesotai Egyetem gépészmérnök professzora és a tanulmány vezető kutatója. “Az orvosok a tényleges beavatkozás előtt tesztelhetik és kipróbálhatják a billentyűimplantátumokat. A modellek a betegeknek is segíthetnek jobban megérteni saját anatómiájukat és magát az eljárást.”
Ezt a szervmodellt kifejezetten arra tervezték, hogy segítsen az orvosoknak felkészülni a transzkatéteres aortabillentyű-helyettesítésnek (TAVR) nevezett eljárásra, amelynek során egy új billentyűt helyeznek a beteg natív aortabillentyűjébe. Az eljárást az aorta-szűkületnek nevezett állapot kezelésére alkalmazzák, amely akkor fordul elő, amikor a szív aortabillentyűje beszűkül, és megakadályozza a billentyű teljes kinyílását, ami csökkenti vagy elzárja a szívből a főartériába áramló véráramlást. Az aorta-szűkület az egyik leggyakoribb szív- és érrendszeri állapot az idősek körében, és Észak-Amerikában körülbelül 2,7 millió 75 év feletti felnőttet érint. A TAVR-eljárás kevésbé invazív, mint a sérült billentyű javítására szolgáló nyílt szívműtét.
Az aorta gyökér modelljei a páciens CT-felvételeinek felhasználásával készülnek, hogy pontosan megfeleljenek az alakjának. Ezután speciális szilikonalapú tinták segítségével 3D nyomtatják ki őket, amelyek mechanikailag megfelelnek a valódi szívszövet érzetének, amelyet a kutatók a Minnesotai Egyetem Visible Heart Laboratóriumától kaptak. A jelenleg forgalomban lévő kereskedelmi nyomtatók képesek a 3D nyomtatásra, de olyan festékeket használnak, amelyek gyakran túl merevek ahhoz, hogy megfeleljenek a valódi szívszövet lágyságának.
A Minnesotai Egyetem speciális 3D-nyomtatói viszont képesek voltak a modell lágy szöveti összetevőit, valamint a billentyűlebenyek kemény meszesedését is utánozni egy olyan tinta nyomtatásával, amely hasonló az építőiparban a gipszkarton és a vakolat javítására használt spakoló pasztához.
A modellek segítségével az orvosok meghatározhatják a billentyűkészülék méretét és elhelyezését az eljárás során. A modellbe 3D nyomtatott integrált érzékelők az orvosok számára elektronikus nyomásvisszacsatolást biztosítanak, amely segítségével irányítani és optimalizálni lehet a billentyű kiválasztását és elhelyezését a beteg anatómiáján belül.
De McAlpine szerint ez még nem jelenti a 3D-nyomtatott modellek végét.
“Ahogy a 3D-nyomtatási technikáink tovább fejlődnek, és új módszereket fedezünk fel az elektronika integrálására a szervfunkciók utánzása érdekében, magukat a modelleket mesterséges pótlószervként lehet majd használni” – mondta McAlpine, aki a Minnesotai Egyetem gépészmérnöki tanszékén a Kuhrmeyer család professzori székét tölti be. “Egy nap talán ezek a “bionikus” szervek olyan jók lehetnek, mint biológiai társaik, vagy jobbak, mint azok.”
A csapatban McAlpine mellett a Minnesotai Egyetem kutatói közül Ghazaleh Haghiashtiani, az első szerző társszerzője, aki nemrég szerzett gépészmérnöki doktori címet. végzett, aki jelenleg a Seagate-nél dolgozik; Kaiyan Qiu, egy másik társ-első szerző és egy korábbi gépészmérnöki posztdoktori kutató, aki jelenleg a Washington State University adjunktusa; Jorge D. Zhingre Sanchez, egy korábbi biomérnöki PhD-hallgató, aki a Minnesotai Egyetem látható szív laboratóriumaiban dolgozott, és jelenleg a Medtronic vezető R&D mérnöke; Zachary J. Fuenning, a gépészmérnöki kar végzős hallgatója; Paul A. Iaizzo, az orvosi kar sebészprofesszora és az U of M Visible Heart Laboratories alapító igazgatója; Priya Nair, a Medtronic vezető kutatója; és Sarah E. Ahlberg, a Medtronic kutatási &technológiai igazgatója.
Ezt a kutatást a Medtronic, a National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering of the National Institutes of Health, valamint Minnesota államon keresztül a Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) kezdeményezés finanszírozta. További támogatást nyújtott a Minnesotai Egyetem interdiszciplináris doktori ösztöndíja és a Ghazaleh Haghiashtiani számára odaítélt doktori disszertációs ösztöndíj.
A teljes kutatási cikket, amelynek címe “3D nyomtatott páciens-specifikus aorta gyökér modellek belső érzékelőkkel minimálisan invazív alkalmazásokhoz”, a Science Advances honlapján olvashatja.