3D生物打印全尺寸人体心脏的模型 [复制链接]

卡内基梅隆大学的一组研究人员开发了一种新的3D生物打印方法，该方法可以生成逼真的全尺寸人类心脏模型。

科学家的悬浮水凝胶自由形式可逆嵌入技术（FRESH）涉及将环保型藻酸盐聚合物挤出到定制的明胶容器中。利用他们新颖的过程，该团队旨在与外科医生合作，为手术训练和预计划应用创建针对患者的临床模型。

该项目的负责人亚当·费恩伯格教授说：“外科医生可以对其进行操纵，并使其真正像真实的组织一样做出反应。”“因此，当他们进入手术现场时，他们在该环境中又增加了一层实际实践。”

“我们现在可以建立一个模型，该模型不仅可以进行视觉规划，还可以进行体育锻炼。”

一种“新鲜”的新型3D打印方法

越来越多的外科医生正在采用3D打印作为开发定制模型的方法，这些模型可以使他们向患者解释心脏程序。使用生物印记生产这些复制品使它们变得现实，但也为将来进行组织工程和再生医学应用提供了可能性。

目前，诸如立体光刻（SLA）和熔融沉积建模（FDM）之类的常见3D打印技术正在用于再现逼真的器官。尽管这样的方法通常已取得了积极的成果，但迄今为止，其广泛采用受到其成本和制造它们所需的专业知识水平的限制。

为了克服这些限制，Feinberg教授和他的同事们花了两年时间研究如何以全尺寸打印人类心脏模型，并提出了一种FRESH新方法。该团队的新颖技术始于使用从MRI扫描和其他扫描过程中收集的数据来设计准确的3D模型。

然后使用直径为微米的针头打印最终的设计，该针头将藻酸盐挤出到定制的容器中，该容器的大小足以容纳完整尺寸的复制品。最终发现该团队的新方法可以产生比以前更耐用的模型，从而有可能使它们更有效地用作外科手术训练工具。

该图显示了Feinberg及其团队制造的全尺寸3D打印成人心脏模型。图片来自卡耐基梅隆大学。

3D打印全尺寸手术模型

在3D打印过程中，科学家将藻酸盐用作模型的主要材料，因为它与有机心脏组织的质地和机械特性非常相似。更重要的是，较软的材料（例如TPU和硅树脂）在重力的作用下会发生变形，从而使刚性稍高的藻酸盐成为更合适的选择。

在制造出一系列原型后，研究人员在明胶容器中对它们进行了12小时的后处理，然后将它们放入培养箱中过夜以去除明胶支持物。一旦准备好了附加心脏模型，Feinberg和他的团队便通过查看聚合物在缝合过程中可以伸展多远的位置来进行测试。

结果表明，藻酸盐具有足够的抗张强度，可以制成心脏模型供外科医生进行练习。然后，研究人员开始使用他们的FRESH方法来制造较小的模型，该模型由充满假血的冠状动脉组成，这也可能对培训外科医生有用。

有趣的是，该团队发现挤出机的针尖存在问题，因为它需要足够长的长度才能到达熔池的底部，并支撑印刷材料。为解决此问题，创建了3D打印的针头支撑环，可以将其更换并随意连接到打印机的挤出机头上。

研究人员得出的结论是，他们的3D模型适合作为外科手术训练工具来进行缝合以及可以在人的真实心脏上进行的其他手术。总体而言，该项目可以开拓其他研究途径，并且在将来，该团队希望他们的FRESH方法能够导致生物医学测试工具的开发。

图像显示四次扫描，第一幅图像显示基于MRI扫描的心脏，最后一张图像是使用藻酸盐的全尺寸FRESH打印图像。图片来自卡耐基梅隆大学。

3D打印和以往的事情

近年来，各种科学家已经采用3D打印作为产生逼真的器官模型的方法，从而扩大了我们对人体的了解。

年7月，明尼苏达大学开发了一种新型生物墨水，该墨水帮助他们创建了一种功能强大的3D打印跳动心脏，该心脏由充满细胞的生物材料制成。该团队的新颖材料使他们能够3D打印具有更多腔室，心室和高细胞壁厚度的主动脉副本。

今年早些时候，得克萨斯大学埃尔帕索分校（UTEP）和得克萨斯理工大学健康科学中心埃尔帕索分校（TTUHSCElPaso）的生物医学研究人员共同致力于3D打印迷你心脏。充满细胞的结构被送到国际空间站（ISS），研究微重力如何影响人类心脏的功能。

同样在年，郑州大学的一群医生对25名患者进行了一项研究，以强调如何在心脏手术中使用3D打印的解剖模型。该团队最终使用CT扫描来开发特定于患者的模型，该模型可以1：1比例进行3D打印。