在美國，超過(guò)八分之一的75歲及以上的人在心臟中發(fā)生中度至重度的主動(dòng)脈阻塞，通常是由于瓣膜小葉上積聚的鈣化沉積物造成的，并阻止它們完全打開(kāi)和關(guān)閉。許多這些老年患者的健康狀況不足以進(jìn)行心臟直視手術(shù);相反，他們使用稱(chēng)為經(jīng)導管主動(dòng)脈瓣置換術(shù)（TAVR）的手術(shù)將人工瓣膜植入其心臟，該手術(shù)通過(guò)插入主動(dòng)脈的導管展開(kāi)瓣膜。然而，這個(gè)過(guò)程存在挑戰，包括需要選擇完美尺寸的心臟瓣膜，而不是真正看病人的心臟：太小，瓣膜可能會(huì )在邊緣移動(dòng)或泄漏;太大了，閥門(mén)可以撕裂心臟，帶來(lái)死亡的危險。因此，心臟病專(zhuān)家一直試圖尋找一種“恰到好處”的TAVR瓣膜尺寸。

哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的研究人員創(chuàng )造了一種新穎的3D打印工作流程，允許心臟病專(zhuān)家在實(shí)際執行醫療程序之前評估不同瓣膜尺寸與每位患者獨特解剖結構的相互作用。該協(xié)議使用CT掃描數據生成個(gè)體患者主動(dòng)脈瓣的物理模型，此外還有“sizer”裝置以確定完美的替換瓣膜尺寸。這項工作是與布萊根婦女醫院，華盛頓大學(xué)，馬薩諸塞州綜合醫院和馬克斯普朗克膠體與界面研究所的研究人員和醫生合作完成的，并發(fā)表在《JournalofCardiovascularComputedTomography》雜志上。

當患者需要更換心臟瓣膜時(shí)，他們經(jīng)常進(jìn)行CT掃描，這需要一系列心臟X射線(xiàn)圖像來(lái)創(chuàng )建其內部解剖結構的三維重建。雖然在CT掃描中很容易看到主動(dòng)脈的外壁和任何相關(guān)的鈣化沉積物，但是打開(kāi)和關(guān)閉瓣膜的組織的精細“小葉”通常太薄而不能很好地顯示出來(lái)。“在進(jìn)行心臟解剖結構的三維重建后，通常看起來(lái)鈣化的沉積物只是在瓣膜內漂浮，對部署的TAVR瓣膜如何與它們相互作用提供很少或根本沒(méi)有見(jiàn)解，”Weaver解釋說(shuō)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，當時(shí)Wyss研究所的研究員AhmedHosny創(chuàng )建了一個(gè)軟件程序，該程序使用參數化建模來(lái)生成傳單的虛擬三維模型，每個(gè)患者的瓣膜上有七個(gè)坐標，這些坐標在CT掃描。然后將數字小葉模型與CT數據合并并進(jìn)行調整，以使它們正確地適合瓣膜。然后將得到的模型（其中包含小葉及其相關(guān)的鈣化沉積物）3D打印成物理多材料模型。

該團隊還打印了一個(gè)定制的“sizer”設備，該設備適合3D打印的閥門(mén)模型，并進(jìn)行擴展和收縮，以確定最適合每位患者的人造瓣膜尺寸。然后，他們用一層薄薄的壓力傳感薄膜包裹分級機，以繪制分級器和三維印刷閥門(mén)及其相關(guān)的鈣化沉積物之間的壓力，同時(shí)逐漸擴大分級器。

“我們發(fā)現傳單上鈣化沉積物的大小和位置對人工瓣膜與鈣化瓣膜的適應性有很大影響，”目前在Dana-Farber癌癥研究所工作的Hosny說(shuō)。“有時(shí)，TAVR瓣膜無(wú)法完全密封鈣化瓣膜，這些患者實(shí)際上可以更好地進(jìn)行心內直視手術(shù)以獲得更好的貼合效果。”

此外，三維印刷閥門(mén)模型的多材料設計，將柔性小葉和剛性鈣化沉積物整合成完全整合的形狀，可以更準確地模擬人工瓣膜部署期間真實(shí)心臟瓣膜的行為，以及隨著(zhù)sizer的擴展，提供觸覺(jué)反饋。

該團隊根據已經(jīng)接受過(guò)TAVR手術(shù)的30名患者的數據對他們的系統進(jìn)行了測試，其中15名患者因閥門(mén)太小而發(fā)生泄漏。研究人員預測，根據分級器與主動(dòng)脈瓣的3D打印模型的匹配程度，每個(gè)患者應該接受的瓣膜大小，以及手術(shù)后是否會(huì )出現泄漏。該系統能夠成功預測60-73％的患者的泄漏結果（取決于患者接受的瓣膜類(lèi)型），并確定60％的患者已接受適當大小的瓣膜。

“能夠識別中心和低風(fēng)險患者，其心臟瓣膜解剖結構使他們更容易發(fā)生TAVR并發(fā)癥，這是至關(guān)重要的，我們以前從未有過(guò)一種非侵入性的方法來(lái)準確地確定這種情況。這些患者可能會(huì )通過(guò)手術(shù)獲得更好的服務(wù)，因為不完美的TAVR結果的風(fēng)險可能超過(guò)其益處。”作者們說(shuō)道。此外，能夠物理模擬該過(guò)程可能會(huì )告知閥門(mén)設計和部署方法的未來(lái)迭代。

該團隊已經(jīng)為希望使用它們的研究人員或臨床醫生在線(xiàn)免費提供了傳單建模軟件和3D打印協(xié)議。他們希望他們的項目將成為可進(jìn)化的生物醫學(xué)設計的跳板，與市場(chǎng)的最新技術(shù)保持同步。

“個(gè)性化醫療挑戰的核心是認識到一種藥物治療不能同樣為所有患者服務(wù)，并且治療方法應該適合人，”Wyss研究所創(chuàng )始主任DonaldIngber博士說(shuō)到。他還是哈佛醫學(xué)院血管生物學(xué)的JudahFolkman教授和波士頓兒童醫院的血管生物學(xué)項目，以及哈佛大學(xué)工程與應用科學(xué)學(xué)院的生物工程教授。“這個(gè)原則適用于醫療器械和藥物，我們很高興看到我們的社區如何在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng )新，并試圖將新的個(gè)性化方法從實(shí)驗室到臨床實(shí)踐。”