Forskare från University of Minnesota har med stöd av Medtronic utvecklat en banbrytande process för 3D-utskrift av verklighetstrogna modeller av hjärtats aortaklaff och de omgivande strukturerna som efterliknar utseendet och känslan hos en verklig patient.
Dessa patientspecifika organmodeller, som innehåller 3D-printade mjuka sensormatriser integrerade i strukturen, tillverkas med hjälp av specialiserade bläck och en skräddarsydd 3D-utskriftsprocess. Sådana modeller kan användas som förberedelse för minimalt invasiva ingrepp för att förbättra resultaten för tusentals patienter världen över.
Forskningen publiceras i Science Advances, en vetenskapligt granskad tidskrift som publiceras av American Association for the Advancement of Science (AAAS).
Förskarna 3D-utskrev det som kallas för aortaroten, den del av aortan som är närmast och fäst vid hjärtat. Aortaroten består av aortaklaffen och öppningarna för kranskärlen. Aortaklaffen har tre klaffar, så kallade leaflets, som omges av en fibrös ring. Modellen innehöll också en del av vänster kammarmuskel och den stigande aorta.
”Vårt mål med dessa 3D-printade modeller är att minska medicinska risker och komplikationer genom att tillhandahålla patientspecifika verktyg som hjälper läkare att förstå den exakta anatomiska strukturen och de mekaniska egenskaperna hos den specifika patientens hjärta”, säger Michael McAlpine, professor i maskinteknik vid University of Minnesota och förste forskare i studien. ”Läkare kan testa och pröva klaffimplantaten före själva ingreppet. Modellerna kan också hjälpa patienterna att bättre förstå sin egen anatomi och själva ingreppet.”
Den här organsmodellen utformades särskilt för att hjälpa läkare att förbereda sig för ett ingrepp som kallas Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR) där en ny klaff placeras inuti patientens ursprungliga aortaklaff. Ingreppet används för att behandla ett tillstånd som kallas aortastenos och som uppstår när hjärtats aortaklaff smalnar av och förhindrar att klaffen öppnas helt, vilket minskar eller blockerar blodflödet från hjärtat till huvudartären. Aortastenos är ett av de vanligaste kardiovaskulära tillstånden hos äldre och drabbar cirka 2,7 miljoner vuxna över 75 år i Nordamerika. TAVR-förfarandet är mindre invasivt än öppen hjärtkirurgi för att reparera den skadade klaffen.
Modellerna av aortaklaffen tillverkas med hjälp av datortomografier av patienten för att matcha den exakta formen. De 3D-printas sedan med hjälp av specialiserade silikonbaserade bläck som mekaniskt matchar känslan hos riktig hjärtvävnad som forskarna fick från University of Minnesota’s Visible Heart Laboratories. Kommersiella skrivare som för närvarande finns på marknaden kan 3D-skriva ut formen, men använder bläck som ofta är för styva för att matcha mjukheten hos riktig hjärtvävnad.
På andra sidan kunde de specialiserade 3D-skrivarna vid University of Minnesota efterlikna både de mjuka vävnadskomponenterna i modellen och den hårda förkalkningen på klaffklaffarna genom att skriva ut ett bläck som liknar spacklingspasta som används i byggbranschen för att reparera gips och gips.
Läkare kan använda modellerna för att bestämma klaffanordningens storlek och placering under ingreppet. Integrerade sensorer som är 3D-printade i modellen ger läkarna den elektroniska tryckåterkoppling som kan användas för att vägleda och optimera valet och placeringen av ventilen i patientens anatomi.
Men McAlpine ser inte detta som slutet på vägen för dessa 3D-printade modeller.
”I takt med att vår 3D-utskriftsteknik fortsätter att förbättras och vi upptäcker nya sätt att integrera elektronik för att efterlikna organens funktion kan modellerna själva användas som konstgjorda ersättningsorgan”, säger McAlpine, som innehar Kuhrmeyer Family Chair Professorship vid University of Minnesota Department of Mechanical Engineering. ”En dag kanske dessa ’bioniska’ organ kan vara lika bra som eller bättre än sina biologiska motsvarigheter.”
Förutom McAlpine ingick forskarna från University of Minnesota Ghazaleh Haghiashtiani, medförfattare och nyligen disputerad i maskinteknik, i teamet. Kaiyan Qiu, en annan medförfattare och tidigare postdoktoral forskare inom maskinteknik som nu är biträdande professor vid Washington State University, Jorge D. Zhingre Sanchez, tidigare doktorand inom biomedicinsk teknik som arbetade vid University of Minnesota’s Visible Heart Laboratories och som nu är senior R&D-ingenjör vid Medtronic, Zachary J. Fuenning, doktorand i maskinteknik, Paul A. Iaizzo, professor i kirurgi vid den medicinska fakulteten och grundande chef för U of M Visible Heart Laboratories, Priya Nair, förste forskare vid Medtronic och Sarah E. Ahlberg, chef för forskning &teknik vid Medtronic.
Denna forskning finansierades av Medtronic, National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering of the National Institutes of Health och Minnesota Discovery, Research and InnoVation Economy (MnDRIVE) Initiative genom delstaten Minnesota. Ytterligare stöd tillhandahölls av University of Minnesota Interdisciplinary Doctoral Fellowship och Doctoral Dissertation Fellowship som tilldelades Ghazaleh Haghiashtiani.
För att läsa hela forskningsartikeln, med titeln ”3D-utskrivna patientspecifika aortakroppsmodeller med interna sensorer för minimalt invasiva tillämpningar”, besök webbplatsen Science Advances.