Minnesotan yliopiston tutkijat ovat Medtronicin tuella kehittäneet uraauurtavan prosessin, jonka avulla voidaan tulostaa sydämen aorttaläpän ja sitä ympäröivien rakenteiden todentuntuisia malleja monista eri materiaaleista 3D-tulostusmenetelmällä, jotka jäljittelevät tarkalleen ja tuntumaltaan oikean potilaan mallia.
Nämä potilaskohtaiset elimen mallit, jotka sisältävät rakenteeseen integroituja 3D-tulostettuja pehmeitä anturirakenteita, valmistetaan käyttämällä erikoismusteita ja räätälöityä 3D-tulostusprosessia. Tällaisia malleja voidaan käyttää minimaalisesti invasiivisten toimenpiteiden valmisteluun tulosten parantamiseksi tuhansilla potilailla maailmanlaajuisesti.
Tutkimus on julkaistu Science Advances -lehdessä, joka on vertaisarvioitu tieteellinen aikakauslehti, jota julkaisee American Association for the Advancement of Science (AAAS).
Tutkijat 3D-tulostivat niin sanotun aortan juureksi kutsutun aortan juuresta, joka on aortan lähimpänä sydäntähteä oleva ja sydämeen liittyvä osa. Aortan juuri koostuu aorttaläpästä ja sepelvaltimoiden aukoista. Aorttaläpällä on kolme läppää, joita kutsutaan läpiksi ja joita ympäröi kuitukehä. Malliin sisältyi myös osa vasemman kammion lihaksesta ja nousevasta aortasta.
”Tavoitteemme näillä 3D-tulostetuilla malleilla on vähentää lääketieteellisiä riskejä ja komplikaatioita tarjoamalla potilaskohtaisia työkaluja, jotka auttavat lääkäreitä ymmärtämään potilaskohtaisen sydämen tarkan anatomisen rakenteen ja mekaaniset ominaisuudet”, sanoo Michael McAlpine, Minnesotan yliopiston konetekniikan professori ja tutkimuksen vanhempi tutkija. ”Lääkärit voivat testata ja kokeilla läppäimplantteja ennen varsinaista toimenpidettä. Mallit voivat myös auttaa potilaita ymmärtämään paremmin omaa anatomiaansa ja itse toimenpidettä.”
Tämä elimen malli suunniteltiin erityisesti auttamaan lääkäreitä valmistautumaan toimenpiteeseen, jota kutsutaan transkatetriseksi aorttaläpän vaihdoksi (Transcatheter Aortic Valve Replacement, TAVR) ja jossa uusi läppä asetetaan potilaan alkuperäisen aorttaläpän sisään. Toimenpidettä käytetään aorttaläpän ahtaumaksi kutsutun sairauden hoitoon, joka ilmenee, kun sydämen aorttaläppä ahtautuu ja estää läppää avautumasta kokonaan, mikä vähentää tai estää veren virtausta sydämestä päävaltimoon. Aorttastenoosi on yksi yleisimmistä iäkkäiden sydän- ja verisuonisairauksista, ja siitä kärsii noin 2,7 miljoonaa yli 75-vuotiasta aikuista Pohjois-Amerikassa. TAVR-menetelmä on vähemmän invasiivinen kuin avosydänleikkaus, jolla vaurioitunut läppä korjataan.
Aortan juuren mallit valmistetaan käyttämällä potilaasta otettuja tietokonetomografiakuvia, jotta ne vastaisivat tarkkaa muotoa. Sen jälkeen ne tulostetaan 3D-tulostamalla käyttäen erityisiä silikonipohjaisia määriä, jotka vastaavat mekaanisesti aidon sydänkudoksen tuntua, jonka tutkijat saivat Minnesotan yliopiston Visible Heart Laboratories -laboratoriosta. Tällä hetkellä markkinoilla olevilla kaupallisilla tulostimilla voidaan 3D-tulostaa muoto, mutta niissä käytetään määriä, jotka ovat usein liian jäykkiä vastaamaan todellisen sydänkudoksen pehmeyttä.
Minnesotan yliopiston erikoistuneet 3D-tulostimet pystyivät sen sijaan jäljittelemään sekä mallin pehmytkudososia että läppäläppien kovaa kalkkikertymää tulostamalla musteella, joka on samanlainen kuin rakennusalalla kipsilevyn ja kipsin korjaamiseen käytetty spackling-pasta.
Lääkärit voivat käyttää malleja määrittäessään läppävälineen kokoa ja sijoittelua toimenpiteen aikana. Malliin 3D-tulostetut integroidut anturit antavat lääkäreille elektronisen painepalautteen, jota voidaan käyttää ohjaamaan ja optimoimaan läpän valintaa ja sijoittelua potilaan anatomian sisällä.
Mutta McAlpine ei pidä tätä näiden 3D-tulostettujen mallien tien loppuna.
”Kun 3D-tulostustekniikkamme kehittyvät edelleen ja löydämme uusia tapoja integroida elektroniikkaa elintoimintojen jäljittelyyn, itse malleja voidaan käyttää keinotekoisena korvaavana elimenä”, sanoo McAlpine, jolla on Kuhrmeyerin perheen professuurin professuuri Minnesotan yliopiston konetekniikan laitoksella. ”Jonain päivänä nämä ’bioniset’ elimet voivat ehkä olla yhtä hyviä tai parempia kuin niiden biologiset vastineet.”
McAlpinen lisäksi tutkimusryhmään kuuluivat Minnesotan yliopiston tutkijat Ghazaleh Haghiashtiani, toisena kirjoittajana ja hiljattain koneenrakennustekniikan tohtori. valmistunut tohtori, joka työskentelee nyt Seagatella; Kaiyan Qiu, toinen ensimmäinen kirjoittaja ja entinen koneenrakennustekniikan post doc -tutkija, joka työskentelee nyt apulaisprofessorina Washingtonin osavaltion yliopistossa; Jorge D. Zhingre Sanchez, entinen biolääketieteellisen tekniikan tohtoriopiskelija, joka työskenteli Minnesotan yliopiston Visible Heart Laboratories -laboratoriossa ja joka työskentelee nyt johtavana insinöörinä Medtronicin tutkimuslaitoksessa (Senior R&D Engineer at Medtronic); Zachary J. Fuenning, konetekniikan jatko-opiskelija; Paul A. Iaizzo, lääketieteellisen tiedekunnan kirurgian professori ja U of M:n Visible Heart Laboratories -laboratorioiden perustajajohtaja; Priya Nair, Medtronicin vanhempi tutkija; ja Sarah E. Ahlberg, Medtronicin tutkimus& teknologiajohtaja.
Tämän tutkimuksen rahoittivat Medtronic, National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering of the National Institutes of Health sekä Minnesotan osavaltion kautta toteutettava Minnesota Discovery, Research, and InnoVation Economy (MnDRIVE) -aloite. Lisätukea tarjosi Minnesotan yliopiston tieteidenvälinen tohtorintutkintostipendi ja Ghazaleh Haghiashtianille myönnetty tohtorintutkintostipendi.
Käy lukemassa koko tutkimusjulkaisu, jonka otsikkona on ”3D-tulostetut potilaskohtaiset potilaskohtaiset aortan juurimallit, joissa on sisäisiä antureita minimaalisesti invasiivisia sovelluksia varten” (3D-printed patient-specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications), osoitteessa Science Advances -sivusto.