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
В Красноярске обнаружены следы глобальной катастрофы, случившейся 12 800 лет назад
Это было внезапно, ужасно и очень быстро: гигантская волна или ударная волна прошлась по этим местам, сметая все на своем пути и перетасовывая кости людей,...
Кто убивает итальянских волков: зоологи были потрясены кадрами с автоматической камеры
Трагический эпизод показал, что некоторые зоологические теории придется кардинально пересмотреть. У серых хищников есть неожиданные враги...
Почему Христос умер на кресте быстрее, чем разбойники: ученые объяснили эпизод из Нового Завета
Поразительно, но это был целый клубок событий, которые произошли в последние сутки до распятия...
Атомная катастрофа Гитлера: оказывается, немцы едва не устроили собственную Хиросиму еще в 1942 году
Почему громкая авария в лаборатории поставила жирный крест на мечтах Германии поработить всю планету?...
Американский «Чернобыль-80»: эта катастрофа едва не изменила всю историю США
Эксперты говорят: лишь счастливая случайность не позволила взорваться заряду в 600 (!) раз мощнее хиросимской бомбы...
300-летний секрет «золотых» скрипок Страдивари наконец-то разгадан?
И почему ученые в поисках тайны забрели в отдаленную долину в самом сердце Итальянских Альп?...
80 лет без Звезды Героя: почему офицер, поставивший Знамя Победы, не получил заслуженную награду при жизни?
Только указ Президента России смог исправить одну из самых вопиющих несправедливостей в советской истории...
Обнаружена древнейшая карта ночного неба, которая 2000 лет считалась утраченной навсегда
Это был настоящий научный детектив: текст скрывался в неожиданном месте. Современные технологии доказали, что написанное раз стереть полностью уже невозможно...
«Кровавая» история водопада Блад-Фоллс: почему ученые сравнивают это место с Марсом?
Эта антарктическая аномалия больше века не давала покоя исследователям, но в 2018 году завеса тайны все же приоткрылась...
Каменный топор со дна реки может переписать древнейшую историю Сибири
По словам ученых, получился отличный научный детектив: добыча золота, артефакт бронзового века, забытая цивилизация...
Почему на Иран обрушился черный дождь и насколько он опасен?
Экологи говорят: агрессивные действия США и Израиля поставили под угрозу здоровье миллионов людей по всей планете...
Самая запрещенная русская сказка: почему «Курочку Рябу» не любили ни цари, ни руководители СССР?
Чтобы эту историю можно было рассказывать советским детям, ее сюжет пришлось изменить самым радикальным образом. Но, может быть, это и к лучшему...
Гениальное ДНК-«мошенничество»: ученые раскрыли секрет рыбы, которая плевать хотела на главные законы биологии
100 000 лет успешного клонирования: амазонская моллинезия просто... копирует себя. И при этом удивительно успешно ремонтируют поврежденные гены, насмехаясь над...