Cercetătorii de la Universitatea din Minnesota, cu sprijinul Medtronic, au dezvoltat un proces revoluționar pentru imprimarea 3D multimaterială a unor modele realiste ale valvei aortice a inimii și a structurilor înconjurătoare care imită exact aspectul și senzația unui pacient real.
Aceste modele de organe specifice pacientului, care includ rețele de senzori moi tipărite 3D integrate în structură, sunt fabricate folosind cerneluri specializate și un proces de imprimare 3D personalizat. Astfel de modele pot fi folosite în pregătirea pentru proceduri minim invazive pentru a îmbunătăți rezultatele la mii de pacienți din întreaga lume.
Cercetarea este publicată în Science Advances, o revistă științifică evaluată de colegi, publicată de Asociația Americană pentru Progresul Științei (AAAS).
Cercetătorii au imprimat 3D ceea ce se numește rădăcina aortică, secțiunea aortei cea mai apropiată și atașată de inimă. Rădăcina aortică este formată din valva aortică și deschiderile pentru arterele coronare. Valva aortică are trei clapete, numite foițe, înconjurate de un inel fibros. Modelul a inclus, de asemenea, o parte din mușchiul ventriculului stâng și aorta ascendentă.
„Scopul nostru cu aceste modele tipărite 3D este de a reduce riscurile medicale și complicațiile prin furnizarea de instrumente specifice pacientului pentru a-i ajuta pe medici să înțeleagă structura anatomică exactă și proprietățile mecanice ale inimii specifice pacientului”, a declarat Michael McAlpine, profesor de inginerie mecanică la Universitatea din Minnesota și cercetător principal în cadrul studiului. „Medicii pot testa și încerca implanturile de valve înainte de procedura propriu-zisă. De asemenea, modelele îi pot ajuta pe pacienți să înțeleagă mai bine propria anatomie și procedura în sine.”
Acest model de organ a fost conceput special pentru a-i ajuta pe medici să se pregătească pentru o procedură numită Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR), în care o nouă valvă este plasată în interiorul valvei aortice native a pacientului. Procedura este utilizată pentru a trata o afecțiune numită stenoză aortică, care apare atunci când valva aortică a inimii se îngustează și împiedică valva să se deschidă complet, ceea ce reduce sau blochează fluxul de sânge din inimă în artera principală. Stenoza aortică este una dintre cele mai frecvente afecțiuni cardiovasculare la vârstnici și afectează aproximativ 2,7 milioane de adulți cu vârsta de peste 75 de ani din America de Nord. Procedura TAVR este mai puțin invazivă decât o intervenție chirurgicală pe cord deschis pentru a repara valva deteriorată.
Modelurile rădăcinii aortice sunt realizate folosind scanări CT ale pacientului pentru a se potrivi cu forma exactă. Ele sunt apoi imprimate 3D folosind cerneluri specializate pe bază de silicon care se potrivesc mecanic cu senzația țesutului cardiac real pe care cercetătorii l-au obținut de la Visible Heart Laboratories de la Universitatea din Minnesota. Imprimantele comerciale existente în prezent pe piață pot imprima 3D forma, dar folosesc cerneluri care sunt adesea prea rigide pentru a se potrivi cu moliciunea țesutului cardiac real.
Pe de altă parte, imprimantele 3D specializate de la Universitatea din Minnesota au fost capabile să imite atât componentele de țesut moale ale modelului, cât și calcifierea dură de pe clapele valvei prin imprimarea unei cerneluri similare cu pasta de chituire folosită în construcții pentru a repara gips-cartonul și tencuiala.
Medicii pot folosi modelele pentru a determina dimensiunea și plasarea dispozitivului valvular în timpul procedurii. Senzorii integrați care sunt tipăriți 3D în cadrul modelului oferă medicilor feedback-ul electronic al presiunii care poate fi folosit pentru a ghida și optimiza selecția și poziționarea valvei în cadrul anatomiei pacientului.
Dar McAlpine nu consideră că acesta este sfârșitul drumului pentru aceste modele tipărite 3D.
„Pe măsură ce tehnicile noastre de imprimare 3D continuă să se îmbunătățească și descoperim noi modalități de integrare a electronicii pentru a imita funcția organului, modelele în sine pot fi folosite ca organe artificiale de înlocuire”, a declarat McAlpine, care deține catedra Kuhrmeyer Family Chair Professorship în cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică al Universității din Minnesota. „Într-o zi, poate că aceste organe „bionice” pot fi la fel de bune sau mai bune decât omologii lor biologici.”
Pe lângă McAlpine, din echipă au făcut parte și cercetătorii de la Universitatea din Minnesota Ghazaleh Haghiashtiani, co-autor principal și recent doctor în inginerie mecanică. absolvent recent al unui doctorat în inginerie biomedicală, care lucrează acum la Seagate; Kaiyan Qiu, un alt co-autor și un fost cercetător postdoctoral în inginerie mecanică, care este acum profesor asistent la Universitatea de Stat din Washington; Jorge D. Zhingre Sanchez, un fost doctorand în inginerie biomedicală care a lucrat în laboratoarele Visible Heart de la Universitatea din Minnesota, care este acum inginer senior R&D la Medtronic; Zachary J. Fuenning, un student absolvent de inginerie mecanică; Paul A. Iaizzo, profesor de chirurgie în cadrul Școlii de Medicină și director fondator al U of M Visible Heart Laboratories; Priya Nair, cercetător științific senior la Medtronic; și Sarah E. Ahlberg, director de cercetare & tehnologică la Medtronic.
Această cercetare a fost finanțată de Medtronic, de Institutul Național de Imagistică Biomedicală și Bioinginerie din cadrul National Institutes of Health și de Inițiativa Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) prin intermediul statului Minnesota. Un sprijin suplimentar a fost oferit de University of Minnesota Interdisciplinary Doctoral Fellowship și Doctoral Dissertation Fellowship acordate lui Ghazaleh Haghiashtiani.
Pentru a citi articolul de cercetare complet, intitulat „3D printed patient-specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications” (Modele de rădăcină aortică tipărite 3D specifice pacientului cu senzori interni pentru aplicații minim invazive), vizitați site-ul Science Advances.