3D印刷硅胶心阀门

人的心脏有四个腔室，每个腔室都装有一个瓣膜，以保证血液只向一个方向流动。如果任何一个心脏瓣膜渗漏、变窄或膨胀(甚至破裂)，血液就会回流到心房或心室，使整个心脏承受严重的压力。在最坏的情况下，这会导致心律失常甚至心力衰竭。

根据缺陷的严重程度，可以插入人工心脏瓣膜来解决问题。在未来几十年里，由于人口老龄化、缺乏体育锻炼和饮食不良，世界上许多地区对这种手术的需求可能会飙升。据估计，到2050年，将有大约85万人需要人工心脏瓣膜。

因此，苏黎世联邦理工学院和南非SAT公司的研究人员一直在寻找目前正在使用的替代心脏瓣膜的替代品。并且取得了一些成功:他们已经开发出了一种由硅树脂制成的人造心脏瓣膜，它是通过3D打印机通过几个步骤制造出来的。

与传统的心脏瓣膜相比，这种新模型有几个优点:当研究人员首先使用计算机断层扫描或磁共振成像来确定泄漏心脏瓣膜的个体形状和大小时，硅酮心脏瓣膜可以更精确地为患者量身定制。这使得打印出完全适合病人心脏腔的心脏瓣膜成为可能。研究人员使用这些图像来创建一个数字模型和计算机模拟来提前计算作用在植入物上的力及其潜在的变形。所使用的材料也与人体兼容，而通过人工心脏瓣膜的血液流动与传统的替代瓣膜一样好。

心脏外科医生传统上使用的植入物是由硬聚合物或动物组织(来自牛或猪)与金属框架结合。为了防止身体排斥这些植入物，患者必须终身服用免疫抑制剂或抗凝血剂，这有显著的不良副作用。

容易

阀门部分的装配件上显示各种印制的加固图案(上图)。完整的心脏瓣膜替换系统，包括定制的瓣叶和合成的主动脉根(下图)。

资料来源:Fergal Coulter /苏黎世联邦理工学院

此外，传统的替代瓣膜的几何形状非常刚性，这使得外科医生很难确保新瓣膜与心脏组织之间的紧密密封。该研究的主要作者之一Manuel Schaffner说:“目前使用的替代瓣膜是圆形的，但并不完全匹配主动脉的形状，每个患者的主动脉形状都不一样。”他曾是André Studart的博士生，也是ETH的复杂材料教授。最重要的是，制造人造心脏瓣膜既昂贵又耗时。

新型硅酮心脏瓣膜解决了这个问题。研究人员用3D打印机制造这样的阀门只需要大约一个半小时。相比之下，用牛的材料手工制作人工心脏瓣膜需要几个工作日。3D打印机的生产也可以加快:例如，一组打印机每天可以生产几十个甚至数百个阀门。

首先，科学家们对阀门产生了消极的印象。硅树脂墨水被喷在这个三点式表冠上，形成了阀门的薄瓣。在下一步，挤压打印机沉积坚韧的硅树脂糊打印特定的图案细线程在他们的表面。它们与穿过天然心脏瓣膜的胶原纤维相对应。硅酮螺纹加强阀瓣，延长更换阀的使用寿命。与心脏瓣膜相连的血管根用同样的方法打印出来，最后覆盖一个网状支架，用于将硅胶瓣膜置换术连接到患者的心血管系统。
更长的使用寿命

初步测试已经产生了非常有希望的结果，新的阀门的功能。材料科学家的目标是将这些替代阀门的寿命延长到10-15年。这是指当前的模型在需要更换之前在患者体内的持续时间。沙夫纳说:“如果有一天我们能制造出可以持续一生，甚至可能与病人一起生长的心脏瓣膜，这样它们也能被植入年轻人体内，那将是了不起的。”

然而，新型人工心脏瓣膜投入临床使用至少还需要10年时间，因为它们首先必须经过详尽的临床试验。

Fergal Coulter是该研究的主要作者，目前正在研究硅树脂阀的进一步发展。“这些实验需要确保该技术在人类患者中使用的所有机会，”他强调。Coulter是Studart专区教授的博士，并开发了生产心脏瓣膜所需的3D打印机。

库尔特还在继续试验可以延长心脏瓣膜寿命的新材料。然而，要使心脏瓣膜在市场上商业化，要么需要一个工业合作伙伴，要么可能需要一个分拆公司。Schaffner强调:“作为一个研究团队，不幸的是，我们无法提供从第一次实验到首次人体应用的无缝衔接。”