沒有兩顆心臟的跳動是相同的。心臟的大小和形狀可能因人而異。對于患有心臟病的人來說，這些差異可能特別明顯，因?yàn)樗麄兊男呐K和主要血管更努力地工作以克服任何受損的功能。麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們希望通過一個定制的機(jī)器人心臟，幫助醫(yī)生根據(jù)患者的具體心臟形態(tài)和功能進(jìn)行治療。
該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出一種程序，可以3D打印出病人心臟的柔軟和靈活的復(fù)制品。然后他們可以控制該復(fù)制品的行動，以模仿該病人的血液泵送能力。
該程序包括首先將病人心臟的醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一個三維計(jì)算機(jī)模型，然后研究人員可以使用一種基于聚合物的墨水進(jìn)行3D打印。其結(jié)果是一個柔軟、靈活的外殼，與病人自己的心臟形狀完全相同，研究小組還可以用這種方法來打印病人的主動脈--將血液從心臟輸送到身體其他部位的大動脈。
為了模仿心臟的泵送動作，該團(tuán)隊(duì)制作了類似于血壓袖套的袖子，包裹著打印的心臟和主動脈。每個袖子的底面都類似于精確圖案的氣泡膜。當(dāng)套筒連接到一個氣動系統(tǒng)時(shí)，研究人員可以調(diào)整流出的空氣，使套筒的氣泡有節(jié)奏地膨脹，并收縮心臟，模仿其泵送動作。
研究人員還可以給一個圍繞著打印的主動脈的獨(dú)立套筒充氣，以收縮該血管。他們說，這種收縮可以被調(diào)整為模仿主動脈狹窄--一種主動脈瓣變窄的情況，導(dǎo)致心臟更努力地工作以迫使血液通過身體。
醫(yī)生們通常通過手術(shù)植入一個合成瓣膜來治療主動脈狹窄，旨在拓寬主動脈的天然瓣膜。該團(tuán)隊(duì)表示，在未來，醫(yī)生有可能使用他們的新程序，首先打印出病人的心臟和主動脈，然后將各種瓣膜植入打印的模型中，以觀察哪種設(shè)計(jì)對該特定病人的功能和適應(yīng)性好。研究實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)療設(shè)備行業(yè)也可以使用這些心臟復(fù)制品，作為測試各種類型心臟病療法的現(xiàn)實(shí)平臺。
"所有的心臟都是不同的，"麻省理工學(xué)院-哈佛大學(xué)健康科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目的研究生Luca Rosalia說。"它們有大量的變化，特別是當(dāng)病人生病的時(shí)候。我們系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，我們不僅可以重現(xiàn)病人的心臟形態(tài)，還可以重現(xiàn)其在生理和疾病方面的功能。"
在這項(xiàng)新的研究中，該團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)來生產(chǎn)實(shí)際病人的心臟的定制復(fù)制品。他們使用了一種基于聚合物的墨水，一旦打印和固化，就可以擠壓和拉伸，類似于真正跳動的心臟。
作為他們的原始材料，研究人員使用了15名被診斷為主動脈瓣狹窄的患者的醫(yī)療掃描。研究小組將每個病人的圖像轉(zhuǎn)換成病人的左心室（心臟的主要泵房）和主動脈的三維計(jì)算機(jī)模型。他們將這個模型輸入3D打印機(jī)，以生成一個柔軟的、解剖學(xué)上準(zhǔn)確的心室和血管外殼。
該團(tuán)隊(duì)還制作了袖子來包裹打印出來的模型。他們對每個套筒的口袋進(jìn)行了定制，當(dāng)包裹在各自的模型上并與一個小型空氣泵系統(tǒng)相連時(shí)，套筒可以分別進(jìn)行調(diào)整，以真實(shí)地收縮和緊縮打印的模型。
研究人員表明，對于每個心臟模型，他們可以準(zhǔn)確地重現(xiàn)之前在每個病人身上測量的相同的心臟泵送壓力和流量。
更進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)旨在復(fù)制少數(shù)患者所接受的一些干預(yù)措施，以觀察打印的心臟和血管是否以同樣的方式作出反應(yīng)。一些患者已經(jīng)接受了旨在拓寬主動脈的瓣膜植入。羅切和她的同事在以每個病人為模型的打印主動脈中植入了類似的閥門。當(dāng)他們激活打印的心臟進(jìn)行泵送時(shí)，他們觀察到植入的瓣膜產(chǎn)生了類似于實(shí)際患者手術(shù)植入后的流量改善。
該團(tuán)隊(duì)使用了一個激活的打印心臟來比較不同尺寸的植入物，看看哪一個會產(chǎn)生佳的配合和流量--他們設(shè)想臨床醫(yī)生將來有可能為他們的病人做這些事情。
病人特定的復(fù)制品可以幫助開發(fā)和確定具有獨(dú)特和挑戰(zhàn)性的心臟幾何結(jié)構(gòu)的個人的理想治療方法。
為大范圍的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在此范圍內(nèi)測試干預(yù)措施，可能會增加微創(chuàng)手術(shù)的目標(biāo)人群。
