定制的，3d打印的心脏复制品看起来和真正的心脏一样

没有两颗心是一样的。心脏的大小和形状因人而异。对于患有心脏病的人来说，这些差异尤其明显，因为他们的心脏和主要血管更加努力地工作以克服任何受损的功能。

麻省理工学院的工程师们希望帮助医生量身定制治疗方案病人的具体心形式和功能，与定制的机器人心脏。该团队开发了一种程序，可以3D打印出柔软而灵活的患者心脏复制品。然后他们可以控制复制品的动作来模仿病人的血液输送能力。

该过程首先包括将患者心脏的医学图像转换为三维计算机模型，然后研究人员可以使用基于聚合物的墨水进行3D打印。其结果是一个柔软、灵活的外壳，与患者自己的心脏形状完全相同。该团队还可以使用这种方法打印患者的主动脉——将血液从心脏输送到身体其他部位的大动脉。

为了模拟心脏的泵送动作，研究小组制作了类似于血压袖带的袖套，将打印出来的心脏和主动脉包裹起来。每只袖子的下面都有精确的气泡包装纸图案。当套筒连接到气动系统时，研究人员可以调节流出的空气，有节奏地使套筒的气泡膨胀，并模仿心脏的泵送动作收缩心脏。

研究人员还可以在打印的主动脉周围用单独的套筒充气以收缩血管。他们说，这种收缩可以通过调节来模仿主动脉瓣狭窄一种主动脉瓣变窄的情况，导致心脏更加努力地工作以迫使血液通过身体。

医生通常通过手术植入一个人造瓣膜来治疗主动脉狭窄，该人造瓣膜旨在扩大主动脉的天然瓣膜。该团队表示，在未来，医生可能会使用他们的新程序首先打印患者的心脏和主动脉，然后在打印的模型中植入各种瓣膜，看看哪种设计的功能最好，适合特定的患者。研究实验室和医疗设备行业也可以使用心脏副本作为测试各种类型疾病治疗的现实平台心脏病．

“每个人的心都是不同的，”麻省理工学院-哈佛健康科学与技术项目的研究生卢卡·罗莎莉亚说。“有很大的差异，尤其是当病人生病的时候。我们系统的优势在于，我们不仅可以重建患者心脏的形态，还可以重建其在生理和疾病方面的功能。”

Rosalia和他的同事将他们的研究结果发表在今天的《科学的机器人。麻省理工学院的合著者包括cagar Ozturk、Debkalpa Goswami、Jean Bonnemain、Sophie Wang和Ellen Roche，以及马萨诸塞州总医院的Benjamin Bonner、哈佛大学的James Weaver和俄亥俄州克利夫兰诊所的Christopher Nguyen、Rishi Puri和Samir Kapadia。

打印和泵

2020年1月，团队成员由机械工程教授艾伦·罗奇领导的团队开发了一种“生物-机器人混合心脏”这是一种普通的心脏复制品，由人造肌肉制成，其中含有可充气的小圆柱体，他们可以控制这些圆柱体来模拟真正心脏的收缩。

在这些努力之后不久，COVID-19大流行迫使罗氏实验室以及校园内的大多数其他实验室暂时关闭。罗莎莉亚没有被吓倒，继续在家里调整这个让人心跳加速的设计。

“那年3月，我在宿舍里重新设计了整个系统，”罗莎莉亚回忆道。

几个月后，实验室重新开放，研究小组继续前进，努力改进心脏泵袖的控制，他们在动物和计算机上进行了测试模型．然后，他们扩展了他们的方法，开发出针对个别患者的袖和心脏复制品。为此，他们转向了3D打印。

“在医疗领域，人们对使用3D打印技术精确地重建患者解剖结构，以用于术前规划和培训非常感兴趣，”王说，他是波士顿贝斯以色列女祭司医疗中心的血管外科住院医师。

包容性设计

在这项新的研究中，研究小组利用3D打印技术制作了真实患者的定制副本。心．他们使用了一种聚合物墨水，一旦打印和固化，就可以挤压和拉伸，类似于真正的心脏跳动。

作为他们的原始材料，研究人员使用了15名被诊断患有主动脉狭窄的患者的医学扫描。研究小组将每位患者的图像转换为患者左心室(心脏的主要泵腔)和主动脉的三维计算机模型。他们将这个模型输入3D打印机，以生成一个柔软的、解剖学上准确的心室和血管外壳。

该团队还制作了袖子来包裹打印的形式。他们量身定制了每个袖子的口袋，当包裹在各自的形状上并连接到一个小型空气泵系统时，袖子可以分别调整，以真实地收缩打印模型。

研究人员表示，对于每个模型心脏，他们都可以准确地重现之前在每个患者身上测量到的相同的心脏泵压和流量。

罗氏说:“能够匹配患者的流量和压力非常令人鼓舞。”“我们不仅打印了心脏的解剖结构，还复制了它的力学和生理学。这是我们感到兴奋的部分。”

更进一步，研究小组的目标是复制少数患者所接受的一些干预措施，以观察打印的心脏和血管是否以同样的方式做出反应。一些患者接受了瓣膜植入以拓宽主动脉。罗氏和她的同事们在打印的主动脉中植入了类似的瓣膜，这些瓣膜是按照每个病人的模型制作的。当他们激活打印的心脏泵时，他们观察到植入的瓣膜产生的流量与实际患者在手术植入后产生的流量相似。

最后，该团队使用驱动打印心脏来比较不同大小的植入物，以确定哪种植入物会产生最佳的适合度和流量——他们设想临床医生未来可能为他们的患者做的事情。

合著者纽根说:“患者将完成他们的成像，他们无论如何都会这样做，我们将用它来制作这个系统，理想情况下是在一天之内。”“一旦它开始运行，临床医生就可以测试不同的瓣膜类型和大小，看看哪种效果最好，然后用它来植入。”

最终，罗氏表示，针对患者的特定副本可以帮助开发和确定针对具有独特和具有挑战性的心脏几何形状的个体的理想治疗方法。

罗氏说:“为大范围的解剖结构进行包容性设计，并在这一范围内测试干预措施，可能会增加微创手术的目标人群。”