Onderzoekers van de University of Minnesota, met steun van Medtronic, hebben een baanbrekend proces ontwikkeld voor multimateriaal 3D-printen van levensechte modellen van de aortaklep van het hart en de omliggende structuren die de exacte look en feel van een echte patiënt nabootsen.
Deze patiëntspecifieke orgaanmodellen, die 3D-geprinte zachte sensorarrays omvatten die in de structuur zijn geïntegreerd, worden vervaardigd met behulp van gespecialiseerde inkten en een aangepast 3D-printproces. Dergelijke modellen kunnen worden gebruikt ter voorbereiding op minimaal invasieve procedures om de resultaten bij duizenden patiënten wereldwijd te verbeteren.
Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances, een peer-reviewed wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd door de American Association for the Advancement of Science (AAAS).
De onderzoekers 3D-printten wat de aortawortel wordt genoemd, het deel van de aorta dat het dichtst bij en aan het hart is bevestigd. De aortawortel bestaat uit de aortaklep en de openingen voor de kransslagaders. De aortaklep heeft drie kleppen, bladen genoemd, omgeven door een vezelige ring. Het model omvatte ook een deel van de linker ventrikel spier en de opgaande aorta.
“Ons doel met deze 3D-geprinte modellen is om medische risico’s en complicaties te verminderen door patiëntspecifieke hulpmiddelen te bieden om artsen te helpen de exacte anatomische structuur en mechanische eigenschappen van het hart van de specifieke patiënt te begrijpen,” zei Michael McAlpine, een hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Minnesota en senior onderzoeker bij de studie. “Artsen kunnen de klepimplantaten testen en uitproberen voor de eigenlijke ingreep. De modellen kunnen patiënten ook helpen hun eigen anatomie en de procedure zelf beter te begrijpen.”
Dit orgaanmodel is speciaal ontworpen om artsen te helpen zich voor te bereiden op een procedure die een Transkatheter Aortaklepvervanging (TAVR) wordt genoemd, waarbij een nieuwe klep in de oorspronkelijke aortaklep van de patiënt wordt geplaatst. De procedure wordt gebruikt om een aandoening te behandelen die aortastenose wordt genoemd en die optreedt wanneer de aortaklep van het hart vernauwt en voorkomt dat de klep volledig opent, waardoor de bloedstroom van het hart naar de hoofdslagader vermindert of wordt geblokkeerd. Aortastenose is een van de meest voorkomende cardiovasculaire aandoeningen bij ouderen en treft ongeveer 2,7 miljoen volwassenen ouder dan 75 jaar in Noord-Amerika. De TAVR-procedure is minder ingrijpend dan een open hartoperatie om de beschadigde klep te repareren.
De aortawortelmodellen worden gemaakt door CT-scans van de patiënt te gebruiken om de exacte vorm te evenaren. Ze worden vervolgens 3D-geprint met behulp van gespecialiseerde inkten op siliconenbasis die mechanisch overeenkomen met het gevoel van echt hartweefsel dat de onderzoekers hebben verkregen van de Universiteit van Minnesota’s Visible Heart Laboratories. Commerciële printers die momenteel op de markt zijn, kunnen de vorm 3D-printen, maar gebruiken inkten die vaak te stijf zijn om de zachtheid van echt hartweefsel te evenaren.
Aan de andere kant waren de gespecialiseerde 3D-printers van de Universiteit van Minnesota in staat om zowel de zachte weefselcomponenten van het model als de harde verkalking op de klepflappen na te bootsen door een inkt te printen die lijkt op spackling-pasta die in de bouw wordt gebruikt om gipsplaten en gips te repareren.
Chirurgen kunnen de modellen gebruiken om de grootte en plaatsing van het klepapparaat tijdens de procedure te bepalen. Geïntegreerde sensoren die 3D-geprint zijn binnen het model geven artsen de elektronische drukfeedback die kan worden gebruikt om de selectie en positionering van de klep binnen de anatomie van de patiënt te begeleiden en te optimaliseren.
Maar McAlpine ziet dit niet als het einde van de weg voor deze 3D-geprinte modellen.
“Als onze 3D-printtechnieken blijven verbeteren en we nieuwe manieren ontdekken om elektronica te integreren om de orgaanfunctie na te bootsen, kunnen de modellen zelf worden gebruikt als kunstmatige vervangende organen,” zei McAlpine, die het Kuhrmeyer Family Chair Professorship bekleedt in de University of Minnesota Department of Mechanical Engineering. “Op een dag kunnen deze ‘bionische’ organen misschien net zo goed zijn als of beter dan hun biologische tegenhangers.”
Naast McAlpine bestond het team uit University of Minnesota-onderzoekers Ghazaleh Haghiashtiani, mede-eerste auteur en een recent gepromoveerd werktuigbouwkundig ingenieur die nu werkt bij Seagard. afgestudeerd die nu bij Seagate werkt; Kaiyan Qiu, een andere co-first auteur en een voormalig werktuigbouwkundig postdoctoraal onderzoeker die nu een assistent-professor is aan de Washington State University; Jorge D. Zhingre Sanchez, een voormalige biomedische engineering Ph.D. student die werkte in de Universiteit van Minnesota’s Visible Heart Laboratories die nu een senior R&D ingenieur is bij Medtronic; Zachary J. Fuenning, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde; Paul A. Iaizzo, een hoogleraar chirurgie in de Medical School en stichtend directeur van de U of M Visible Heart Laboratories; Priya Nair, senior wetenschapper bij Medtronic; en Sarah E. Ahlberg, directeur van onderzoek & technologie bij Medtronic.
Dit onderzoek werd gefinancierd door Medtronic, het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering van de National Institutes of Health, en het Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) Initiative via de staat Minnesota. Aanvullende steun werd verleend door University of Minnesota Interdisciplinary Doctoral Fellowship en Doctoral Dissertation Fellowship toegekend aan Ghazaleh Haghiashtiani.
Om het volledige onderzoekspaper te lezen, getiteld “3D-geprinte patiëntspecifieke aortawortelmodellen met interne sensoren voor minimaal invasieve toepassingen,” bezoek de Science Advances-website.