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.