生物3d打印心脏模型为外科手术模拟训练提供基础

生物3d打印心脏模型为外科手术模拟训练提供基础

2020-12-05 3

经过两年的研究,生物印刷专家Adam Feinberg和他的团队使用其自由形式的可逆悬浮水凝胶嵌入(FRESH)技术,创建了第一个成人心脏的全尺寸模型。由患者派生的磁共振成像(MRI)数据集制成的逼真模型在使用藻酸盐生物墨水的特殊构建的低成本打印机平台上打印了四天。该小组的最新发现发表在《ACS生物材料科学与工程》杂志上,表明生物打印的心脏模型不仅模仿了心脏组织的真实感,弹性和机械特性,而且具有足够的耐用性,可以处理,缝合和灌注,使其成为进行手术模拟和培训的理想工具。


根据论文的共同作者,在目前的状态下,全尺寸的成人心脏支架代表了向制造逼真的感觉,器官尺寸的心脏组织供外科医生进行练习的重要步骤。这也为组织工程和心脏再生医学的全尺寸器官打印奠定了基础。此外,他们建议,在题为“的文件中提出的进步FRESH 3D生物打印一个人的心脏的全尺寸模型”可以扩展到其他器官模型,如肝脏或肾脏。


3D打印机

用藻酸盐大规模进行FRESH 3D生物打印。图片由Adam Feinberg /卡内基梅隆大学提供


当前的3D打印技术可以生成完整尺寸的成人器官模型,但是所用的柔软材料(如热塑性弹性体或硅橡胶)缺乏刚性,无法支撑,并且在空气中打印时在重力的作用下很容易变形。这使得很难制造大型,复杂的结构,例如心脏和其他器官的复杂内部结构。为了应对这一挑战,满足未填充的需求,在3D打印的软聚合物,研究人员范伯格实验室,在卡耐基梅隆大学(CMU)的生物医学工程系,发明了FRESH 3D生物打印技术。


FRESH 3D打印使用针头将生物墨水注入柔软的水凝胶浴中,该水凝胶在打印时支撑对象。完成后,简单加热即可使水凝胶融化,仅留下3D生物打印对象。创新技术通过嵌入印刷材料来减轻重力影响,允许自由打印脆弱的无支撑结构,否则这些结构将立即在空中塌陷。


虽然Feinberg的实验室已经证明了FRESH技术的多功能性和逼真度,但实现这一新里程碑的主要障碍是全面打印人的心脏。它需要建造一台新的3D打印机,该打印机是定制的,可以容纳足够大的凝胶支持浴以打印心脏模型,还需要改进注射泵挤出机和打印机的性能,还需要对软件进行少量调整以保持打印速度和保真度。 。


3D打印机

对原始LVE打印机进行的修改,可进行全尺寸的成人心脏打印。图片由Adam Feinberg /卡内基梅隆大学提供


该团队选择了一种源自海藻的生物材料,称为藻酸盐,因为其成本低,具有生物学相关性和可调节性,因此被选为生物墨水。FRESH印刷的心脏尺寸约为8×10×12 cm3,可以在水溶液外部处理,显示出印刷的结构完整性。在美国化学学会甚至在展示创新的心脏结构最近的视频发布在其官方YouTube.com页面上。在这项研究中,作者还解释说,心脏的横截面显示,可以精确地重建出无支撑的精美内部特征,包括肺动脉和主动脉瓣以及乳头肌。


除了打印正常的心脏,FRESH方法还具有制造心脏病理结构和机械现实模型的潜力。结果表明,FRESH打印的藻酸盐构造物可以具有落入心脏组织范围内的机械性能,并且比目前用于手术模型的弹性体软得多。


大型医院通常具有用于患者身体3D打印模型以规划实际程序的设施,但是这些组织和器官通常以硬塑料或橡胶为模型。能够以类似于真实心脏的方式进行切割,缝合和操纵的创新模型是新颖的,这就是为什么这种突破可以为外科医生带来范式转变的原因。


CMU生物医学工程与材料科学与工程系教授Feinberg表示:“我们现在可以建立一个不仅可以进行视觉规划,还可以进行物理实践的模型。” “外科医生可以操纵它,并使它像真实的组织一样做出实际反应,因此,当他们进入手术部位时,在这种情况下,就可以再进行一层实际操作。”


3D打印机

使用藻酸盐打印成人心脏的全尺寸模型。图片由Adam Feinberg /卡内基梅隆大学提供


Feinberg的近期目标是开始与外科医生和临床医生合作,以对该技术进行微调,并确保解剖学上准确的组织模型已准备就绪,可在医院环境中进行潜在的外科手术训练和规划应用。CMU的出版物和生物工程研究生研究员的主要作者Eman Mirdamadi表示,尽管在生物打印全尺寸的人的心脏方面仍然存在主要障碍,但该团队设法使用FRESH平台建立了基础基础,同时展示了即时应用。现实的手术模拟。


这项工作代表了FRESH生物打印功能的另一次成功展示,证明了由软水凝胶制成的大规模生物打印心脏组织构造可以在潜在的外科手术训练应用中进行FRESH打印。将来,该小组希望加快工作速度并提高细胞存活力,以使用蜂窝化的墨水来制作人的心脏模型。使用该小组当前的打印机设计,今天这是不可能实现的,但可能会为生物制造铺平道路可能有一天会修复或替换整个人体器官的技术。


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