MIT Researches напечатали 3D-сердце для пациентов

Метод 3D-печати предполагает преобразование медицинских изображений сердца пациента в компьютеризированную 3D-модель, которую команда затем печатает в 3D с помощью чернил на полимерной основе. Это создает мягкую, гибкую оболочку, которая точно соответствует структуре собственного сердца пациента. Этот метод также позволяет печатать аорту пациента, которая является основной артерией, транспортирующей кровь от сердца к остальным частям человеческого тела.

Команда создала рукава, похожие на манжеты для измерения артериального давления, которые охватывают напечатанное на 3D-принтере сердце и аорту, чтобы имитировать работу сердца. Исследователи могут дополнительно настроить выходящий воздух, чтобы ритмично накачивать пузырьки рукава и сокращать сердце, чтобы имитировать его насосную деятельность, когда рукав соединен с пневматической системой.

Исследователи также могут сжимать сосуд, раздувая независимый рукав, окружающий напечатанную на 3D-принтере аорту. Команда утверждает, что это сужение можно настроить так, чтобы имитировать аортальный стеноз, заболевание, при котором аортальный клапан сужается, что требует от сердца больших усилий, чтобы заставить кровь циркулировать по телу. 

Аортальный стеноз обычно лечится путем хирургической установки синтетического клапана, предназначенного для увеличения естественного клапана аорты. По мнению исследователей, в будущем врачи смогут использовать этот процесс для 3D-печати сердца и аорты пациента, а затем имплантировать множество клапанов в напечатанную модель, чтобы определить, какая конструкция обеспечивает идеальную функцию и подходит для пациента.

«Все сердца разные. Существуют огромные вариации, особенно когда пациенты больны. Преимущество нашей системы в том, что мы можем воссоздать не только форму сердца пациента, но и его функцию как в физиологии, так и в заболевании», — сказал Лука Розалия, студент Гарвардской программы медицинских наук и технологий Массачусетского технологического института.

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 Рош вместе с большинством других в кампусе временно закрыться. 

«В марте того года я воссоздал всю систему в своей комнате в общежитии, — вспоминает Розалия.

Несколько месяцев спустя лаборатория вновь открылась, и команда продолжила работу с того места, где остановилась, работая над улучшением контроля рукава для перекачивания сердца, который они протестировали на животных и на компьютерных моделях. Затем они расширили свой подход к разработке рукавов и реплик сердца, специфичных для отдельных пациентов. 

Профессор машиностроения Эллен Рош сказала: «Возможность согласования потоков и давлений пациента была очень обнадеживающей. Мы не только печатаем анатомию сердца, но и воспроизводим его механику и физиологию. Это та часть, которая нас волнует».

В своем исследовании исследователи использовали медицинские снимки 15 пациентов с аортальным стенозом. Изображения каждого пациента были преобразованы в трехмерную компьютерную модель левого желудочка пациента (первичная насосная камера сердца) и аорты. Затем модель была загружена в 3D-принтер, который изготовил мягкую анатомически правильную оболочку, напоминающую желудочек и сосуд.

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.