Индивидуальные копии сердца, напечатанные на 3D-принтере, выглядят и бьются так же, как настоящие
Не существует двух одинаковых сердец. Размер и форма сердца могут варьироваться от одного человека к другому. Эти различия могут быть особенно заметными для людей, живущих с сердечными заболеваниями, поскольку их сердце и крупные сосуды работают усерднее, чтобы преодолеть любое нарушение функции.
Инженеры Массачусетского технологического института надеются помочь врачам адаптировать лечение к конкретной форме и функции сердца пациентов с помощью специального роботизированного сердца. Команда разработала процедуру 3D-печати мягкой и гибкой копии сердца пациента.
Процедура включает в себя сначала преобразование томографических снимков сердца пациента в трехмерную компьютерную модель, которую исследователи затем могут распечатать в 3D с использованием чернил на полимерной основе. В результате получается мягкая, гибкая оболочка, точная форма которой соответствует собственному сердцу пациента. Команда также может использовать этот подход для печати аорты пациента — главной артерии, которая несет кровь от сердца к остальным частям тела.
Чтобы имитировать работу сердца, команда изготовила рукава, похожие на манжеты для измерения артериального давления, в которые оборачивают напечатанное сердце и аорту. Нижняя сторона каждого рукава напоминает пузырчатую пленку с точным рисунком. Когда рукав подключен к пневматической системе, исследователи могут управлять потоком воздуха, чтобы ритмично надувать пузырьки рукава и сокращать сердце, имитируя его работу в качестве «насоса».
Исследователи также могут надуть отдельный рукав, окружающий напечатанную аорту, чтобы сузить сосуд. По их словам, это сужение можно настроить так, чтобы оно имитировало аортальный стеноз — состояние, при котором аортальный клапан сужается, заставляя сердце работать с большей нагрузкой, чтобы протолкнуть кровь через тело.
Врачи обычно лечат аортальный стеноз путем хирургической имплантации синтетического клапана, предназначенного для расширения естественного клапана аорты. Разработчики проекта убеждены, что в будущем медики потенциально могут использовать новую процедуру, чтобы сначала распечатать сердце и аорту пациента, а затем имплантировать различные клапаны в напечатанную модель и увидеть, какой вариант обеспечивает наилучшую функцию и подходит для этого конкретного пациента. Реплики сердца также могут использоваться исследовательскими лабораториями и производителями медицинского оборудования в качестве реальных платформ для тестирования методов лечения различных типов сердечных заболеваний.
— Лука Розалия, аспирант Гарвардской программы медицинских наук и технологий в Массачусетском технологическом институте.
Розалия и его коллеги рассказали о своих экспериментах в исследовании, опубликованном в журнале Science Robotics.
В январе 2020 года члены группы под руководством профессора машиностроения Эллен Рош разработали «биороботизированное гибридное сердце» — общую копию сердца, сделанную из синтетических мышц, содержащих небольшие надувные цилиндры, которыми они могли управлять, чтобы имитировать сокращения сердца.
Вскоре после этих усилий пандемия Covid-19 вынудила лабораторию Roche, как и большинство других в кампусе, временно закрыться. Ничуть не испугавшись, Розалия продолжила дорабатывать умопомрачительный дизайн дома.
— Лука Розалия.
Несколько месяцев спустя лаборатория вновь открылась, и команда продолжила работу с того места, где остановилась, работая над улучшением контроля пневморукава, который они протестировали на компьютерных моделях. Затем ученые изменили подход к разработке рукавов и реплик сердца. Для этого они обратились к 3D-печати.
В новом исследовании команда воспользовалась преимуществами 3D-печати для создания индивидуальных копий сердец реальных пациентов. Они использовали чернила на полимерной основе, которые после печати и отверждения могут сжиматься и растягиваться, как настоящее бьющееся сердце.
В качестве исходного материала ученые использовали медицинские снимки 15 пациентов с диагнозом аортальный стеноз. Команда преобразовала изображения каждого пациента в трехмерную компьютерную модель левого желудочка пациента (главной насосной камеры сердца) и аорты. Они отправили эту модель на 3D-принтер, чтобы создать мягкую, анатомически точную оболочку желудочка и сосуда.
Команда также изготовила рукава для обертывания печатных форм. Они скроили карманы каждого рукава таким образом, что, когда они обернуты вокруг соответствующих форм и подключены к небольшой системе откачки воздуха, рукава можно было настраивать отдельно, чтобы реалистично сжимать напечатанные модели.
Исследователи показали, что для каждой модели сердца они могут точно воссоздать те же самые пульсирующие давление и потоки, которые были ранее измерены у каждого соответствующего пациента.
Сделав еще один шаг, команда стремилась воспроизвести некоторые из вмешательств, которым подверглись несколько пациентов, чтобы увидеть, реагируют ли распечатанные сердце и сосуд таким же образом. Некоторым пациентам были установлены клапанные имплантаты, предназначенные для расширения аорты. Рош и ее коллеги имплантировали аналогичные клапаны в распечатанные аорты, смоделированные по образцу каждого пациента. Когда они активировали напечатанное сердце для перекачивания крови, они заметили, что имплантированный клапан обеспечивает такие же улучшенные потоки, как и у реальных пациентов после хирургических имплантов.
Наконец, команда использовала активированное напечатанное сердце, чтобы сравнить имплантаты разных размеров, чтобы увидеть, какие из них обеспечат наилучшую посадку и поток — то, что, по их мнению, клиницисты потенциально могут сделать для своих пациентов в будущем.
В конечном счете реплики для конкретных пациентов могут помочь разработать и определить идеальные методы лечения людей с уникальной и сложной геометрией сердца. Разработка, включающая широкий спектр анатомических структур, и тестирование вмешательств в этом диапазоне могут увеличить адресную целевую группу для минимально инвазивных процедур.
Инженеры Массачусетского технологического института надеются помочь врачам адаптировать лечение к конкретной форме и функции сердца пациентов с помощью специального роботизированного сердца. Команда разработала процедуру 3D-печати мягкой и гибкой копии сердца пациента.
Процедура включает в себя сначала преобразование томографических снимков сердца пациента в трехмерную компьютерную модель, которую исследователи затем могут распечатать в 3D с использованием чернил на полимерной основе. В результате получается мягкая, гибкая оболочка, точная форма которой соответствует собственному сердцу пациента. Команда также может использовать этот подход для печати аорты пациента — главной артерии, которая несет кровь от сердца к остальным частям тела.
Чтобы имитировать работу сердца, команда изготовила рукава, похожие на манжеты для измерения артериального давления, в которые оборачивают напечатанное сердце и аорту. Нижняя сторона каждого рукава напоминает пузырчатую пленку с точным рисунком. Когда рукав подключен к пневматической системе, исследователи могут управлять потоком воздуха, чтобы ритмично надувать пузырьки рукава и сокращать сердце, имитируя его работу в качестве «насоса».
Исследователи также могут надуть отдельный рукав, окружающий напечатанную аорту, чтобы сузить сосуд. По их словам, это сужение можно настроить так, чтобы оно имитировало аортальный стеноз — состояние, при котором аортальный клапан сужается, заставляя сердце работать с большей нагрузкой, чтобы протолкнуть кровь через тело.
Врачи обычно лечат аортальный стеноз путем хирургической имплантации синтетического клапана, предназначенного для расширения естественного клапана аорты. Разработчики проекта убеждены, что в будущем медики потенциально могут использовать новую процедуру, чтобы сначала распечатать сердце и аорту пациента, а затем имплантировать различные клапаны в напечатанную модель и увидеть, какой вариант обеспечивает наилучшую функцию и подходит для этого конкретного пациента. Реплики сердца также могут использоваться исследовательскими лабораториями и производителями медицинского оборудования в качестве реальных платформ для тестирования методов лечения различных типов сердечных заболеваний.
Все сердца разные. Существуют огромное число вариаций, особенно когда пациент болен. Преимущество нашей системы в том, что мы можем воссоздать не только форму сердца пациента, но и его функцию как в физиологии, так и в патологии.
— Лука Розалия, аспирант Гарвардской программы медицинских наук и технологий в Массачусетском технологическом институте.
Розалия и его коллеги рассказали о своих экспериментах в исследовании, опубликованном в журнале Science Robotics.
В январе 2020 года члены группы под руководством профессора машиностроения Эллен Рош разработали «биороботизированное гибридное сердце» — общую копию сердца, сделанную из синтетических мышц, содержащих небольшие надувные цилиндры, которыми они могли управлять, чтобы имитировать сокращения сердца.
Вскоре после этих усилий пандемия Covid-19 вынудила лабораторию Roche, как и большинство других в кампусе, временно закрыться. Ничуть не испугавшись, Розалия продолжила дорабатывать умопомрачительный дизайн дома.
В марте того года я воссоздала всю систему в своей комнате в общежитии
— Лука Розалия.
Несколько месяцев спустя лаборатория вновь открылась, и команда продолжила работу с того места, где остановилась, работая над улучшением контроля пневморукава, который они протестировали на компьютерных моделях. Затем ученые изменили подход к разработке рукавов и реплик сердца. Для этого они обратились к 3D-печати.
В новом исследовании команда воспользовалась преимуществами 3D-печати для создания индивидуальных копий сердец реальных пациентов. Они использовали чернила на полимерной основе, которые после печати и отверждения могут сжиматься и растягиваться, как настоящее бьющееся сердце.
В качестве исходного материала ученые использовали медицинские снимки 15 пациентов с диагнозом аортальный стеноз. Команда преобразовала изображения каждого пациента в трехмерную компьютерную модель левого желудочка пациента (главной насосной камеры сердца) и аорты. Они отправили эту модель на 3D-принтер, чтобы создать мягкую, анатомически точную оболочку желудочка и сосуда.
Команда также изготовила рукава для обертывания печатных форм. Они скроили карманы каждого рукава таким образом, что, когда они обернуты вокруг соответствующих форм и подключены к небольшой системе откачки воздуха, рукава можно было настраивать отдельно, чтобы реалистично сжимать напечатанные модели.
Исследователи показали, что для каждой модели сердца они могут точно воссоздать те же самые пульсирующие давление и потоки, которые были ранее измерены у каждого соответствующего пациента.
Сделав еще один шаг, команда стремилась воспроизвести некоторые из вмешательств, которым подверглись несколько пациентов, чтобы увидеть, реагируют ли распечатанные сердце и сосуд таким же образом. Некоторым пациентам были установлены клапанные имплантаты, предназначенные для расширения аорты. Рош и ее коллеги имплантировали аналогичные клапаны в распечатанные аорты, смоделированные по образцу каждого пациента. Когда они активировали напечатанное сердце для перекачивания крови, они заметили, что имплантированный клапан обеспечивает такие же улучшенные потоки, как и у реальных пациентов после хирургических имплантов.
Наконец, команда использовала активированное напечатанное сердце, чтобы сравнить имплантаты разных размеров, чтобы увидеть, какие из них обеспечат наилучшую посадку и поток — то, что, по их мнению, клиницисты потенциально могут сделать для своих пациентов в будущем.
В конечном счете реплики для конкретных пациентов могут помочь разработать и определить идеальные методы лечения людей с уникальной и сложной геометрией сердца. Разработка, включающая широкий спектр анатомических структур, и тестирование вмешательств в этом диапазоне могут увеличить адресную целевую группу для минимально инвазивных процедур.
- Евгения Бусина
- mit.edu
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Спасти планету сможет… африканский червь
В Кении найдено насекомое с удивительными способностями....
«Орешник», «Бук» и «Тополь»: искусный нейминг от российских военных конструкторов
Наука как сбить Запад с толку....
Главная тайна Седьмой планеты разгадана через 38 лет
Уран оказался не таким уж странным, как думали ученые....
Ученые раскрыли тайну сигнала, после которого началось самое мощное извержение в истории
Разгадка оказалась потрясающей во всех смыслах....
80 000 лет жизни: какие тайны скрывает самое древнее и большое существо на планете?
Залог невероятного долголетия и удивительного выживания обнаружили учёные....
Раскрыт секрет идеального женского тела?
Оказывается, дело вовсе не в соотношении талии и бедер....
Саблезубый котёнок томился во льдах Якутии 35 тысяч лет
Благодаря находке стало известно, что сородичи пушистика обитали в столь холодных местах....
Ученая вылечила свой рак вирусами собственного производства
Если человек хочет жить — медицина бессильна....
Эти «красные монстры» вообще не должны существовать
Что узнали астрономы о трех невозможно огромных галактиках....
Почти бессмертные существа помогут человечеству покорить глубокий космос
Ученым, наконец, удалось «взломать» код поразительной живучести тихоходок....
Разгадано учеными: почему города разрушают сердце и разум
Причины, которые нашли исследователи, вас удивят....
Ещё один одинокий: в Балтийском море обнаружен дельфин, который может говорить только сам с собой
Совсем как старый вдовец, которого давно не навещали близкие....
Турбулентность отменяется! А пилоты-люди вообще будут не нужны
Искусственный интеллект может в корне изменить авиацию....
Надеялись на Беса: древние египтянки при беременности хлебали галлюциногенные смеси
Думали, что божок с двусмысленным для нас именем убережёт....
Большой мозг — не значит самый умный
Последнее исследование собак показало парадоксальные результаты....
«Запрещенные» опыты на орбите помогли «взломать» сразу несколько законов природы
Американские биохакеры признались, зачем на МКС выращивают крошечные человеческие мозги....