ミネソタ大学の研究者たちは、メドトロニックの支援を受けて、実際の患者の外観と感触を正確に模倣した、心臓の大動脈弁と周囲の構造物の実物そっくりなモデルをマルチマテリアル 3D プリントできる画期的なプロセスを開発しました。
これらの患者固有の臓器モデルは、構造体に統合された3Dプリントされたソフト センサー アレイを含み、特殊なインクとカスタマイズされた3Dプリント プロセスを使用して製造されます。 このようなモデルは、世界中の何千人もの患者の転帰を改善するための低侵襲的処置の準備に使用できます。
この研究は、米国科学振興協会 (AAAS) が発行する査読付き科学雑誌である Science Advances に掲載されています。
研究者は大動脈根と呼ばれるものを 3D プリントし、心臓に最も近く、取り付けられている大動脈のセクションとします。 大動脈基部は、大動脈弁と冠動脈の開口部から構成されている。 大動脈弁は、葉と呼ばれる3枚のフラップがあり、その周りを繊維状のリングが取り囲んでいます。 このモデルには、左心室の筋肉の一部と上行大動脈も含まれています。
「これらの 3D プリントされたモデルの目標は、特定の患者の心臓の正確な解剖学的構造と機械的特性を医師が理解できるように、患者固有のツールを提供して、医療リスクと合併症を減らすことです」と、ミネソタ大学機械工学教授でこの研究の上級研究員の Michael McAlpine は述べています。 「医師は、実際の手術の前に、弁の移植をテストして試すことができます。 また、このモデルは、患者が自分自身の解剖学的構造と処置そのものをよりよく理解するのに役立ちます」
この器官モデルは、経カテーテル大動脈弁置換術 (TAVR) という処置に備えるために、医師が特に設計されたもので、新しい弁を患者固有の大動脈弁内に配置します。 この手術は、心臓の大動脈弁が狭くなって弁が十分に開かなくなり、心臓から主動脈への血流が減少または遮断されることで起こる大動脈弁狭窄症と呼ばれる疾患の治療に使用されます。 大動脈弁狭窄症は、高齢者に最も多くみられる心血管系の疾患の一つであり、北米では75歳以上の成人約270万人が罹患しているといわれています。 TAVRは、開胸手術よりも低侵襲で、損傷した弁を修復します。
大動脈基部のモデルは、患者のCTスキャンを使用して、正確な形状に合わせて作成されます。 その後、ミネソタ大学のVisible Heart Laboratoriesから入手した本物の心臓組織の感触と機械的に一致する特殊なシリコンベースのインクを使って3Dプリントされます。 現在市販されているプリンターでも形状を3Dプリントすることは可能ですが、インクが硬すぎて実際の心臓組織の柔らかさと一致しないことが多いのです。
その一方で、ミネソタ大学の特殊な 3D プリンターは、建築で乾式壁やしっくいを修復するために使用されるスパックリング ペーストに似たインクを印刷することにより、モデルの軟組織コンポーネントと、弁フラップ上の硬い石灰化の両方を模倣することができました。 モデル内に 3D プリントされた統合センサーは、患者の解剖学的構造内でのバルブの選択と配置をガイドし最適化するために使用できる、電子圧力フィードバックを医師に提供します。
マカルパイン氏に加え、研究チームには、共同筆頭著者で最近機械工学博士になったミネソタ大学の研究者Ghazaleh Haghiashtiani氏、および、同教授の助言を受けたミネソタ大学の研究者が含まれました。 現在 Seagate 社に勤務する機械工学博士の卒業生である Ghazaleh Haghiashtiani 氏、同じく筆頭著者で元機械工学博士研究員の Kaiyan Qiu 氏、ミネソタ大学の Visible Heart 研究所で働く元生物医学工学博士で現在 Medtronic 社のシニア R&D エンジニアの Jorge D. Zhingre Sanchez 氏、McAlpine 氏のほか、ミネソタ大学の Zachary J. Zhang 氏が参加しました。 フエニング（機械工学大学院生）、医学部外科教授でM大学可視心臓研究所の創設ディレクターであるポール・A・アイアッツォ、メドトロニックの上級科学者プリヤ・ネイル、メドトロニックの研究&技術ディレクターであるサラE・アールバーグがいます。
この研究は、メドトロニック社、国立衛生研究所のNational Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering、およびミネソタ州を通じた Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) Initiative から資金提供を受けています。 さらに、Ghazaleh Haghiashtiani氏に授与されたミネソタ大学学際的博士号フェローシップおよび博士号論文フェローシップによる支援を受けました。
「低侵襲アプリケーション用内部センサー付き3Dプリント患者特定大動脈根モデル」と題する研究論文全文を読むには、サイエンス アドバンステスのウェブサイトをご覧ください。