MIT Researches надрукували 3D-серце для пацієнтів

Метод 3D-друку передбачає перетворення медичних зображень серця пацієнта на комп'ютеризовану 3D-модель, яку команда потім друкує в 3D за допомогою чорнила на полімерній основі. Це створює м'яку гнучку оболонку, яка точно відповідає структурі власного серця пацієнта. Цей метод також дозволяє друкувати аорту пацієнта, яка є основною артерією, що транспортує кров від серця до решти людського тіла.

Команда створила рукави, схожі на манжети для вимірювання артеріального тиску, які охоплюють надруковане на 3D-принтері серце та аорту, щоб імітувати роботу серця. Дослідники можуть додатково налаштовувати повітря, що виходить, щоб ритмічно накачувати бульбашки рукава і скорочувати серце, щоб імітувати його помпову діяльність, коли рукав з'єднаний з пневматичною системою.

Дослідники також можуть стискати судину, роздмухуючи незалежний рукав, що оточує надруковану на 3D-принтері аорту. Команда стверджує, що це звуження можна налаштувати так, щоб імітувати аортальний стеноз, захворювання, при якому звужується аортальний клапан, що вимагає від серця великих зусиль, щоб змусити кров циркулювати по тілу.

Аортальний стеноз зазвичай лікується шляхом хірургічної установки синтетичного клапана, призначеного для збільшення природного клапана аорти. На думку дослідників, у майбутньому лікарі зможуть використати цей процес для 3D-друку серця та аорти пацієнта, а потім імплантувати безліч клапанів у надруковану модель, щоб визначити, яка конструкція забезпечує ідеальну функцію та підходить для пацієнта.

«Усі серця різні. Існують великі варіації, особливо коли пацієнти хворі. Перевага нашої системи в тому, що ми можемо відтворити не лише форму серця пацієнта, а і його функцію як у фізіології, так і у захворюванні», — сказав Лука Розалія, студент Гарвардської програми медичних наук та технологій Массачусетського технологічного інституту.

У січні 2020 року члени групи під керівництвом професора машинобудування Еллен Рош розробили «біороботизоване гібридне серце» — загальну копію серця, зроблену із синтетичних м'язів, що містять невеликі надувні циліндри, якими вони могли керувати, щоб імітувати скорочення серця.

Незабаром після цих зусиль пандемія Covid-19 змусила лабораторію Рош разом із більшістю інших у кампусі тимчасово закритися.

«Тогорічного березня я відтворив всю систему у своїй кімнаті в гуртожитку», — згадує Розалія.

Через кілька місяців лабораторія знову відкрилася, і команда продовжила роботу з того місця, де зупинилася, працюючи над покращенням контролю рукава для перекачування серця, який вони протестували на тваринах і на комп'ютерних моделях. Потім вони розширили свій підхід до розробки рукавів та реплік серця, специфічних для окремих пацієнтів.

Професор машинобудування Еллен Рош сказала: «Можливість узгодження потоків та тисків пацієнта була дуже обнадійливою. Ми не лише друкуємо анатомію серця, а й відтворюємо його механіку та фізіологію. Це та частина, яка нас хвилює».

У своєму дослідженні науковці використовували медичні знімки 15 пацієнтів з аортальним стенозом. Зображення кожного пацієнта були перетворені на тривимірну комп'ютерну модель лівого шлуночка пацієнта (первинна насосна камера серця) та аорти. Потім модель була завантажена в 3D-принтер, який виготовив м'яку анатомічно правильну оболонку, що нагадує шлуночок та судину.

Дослідники показали, що для кожної моделі серця вони можуть точно відтворити ті самі пульсуючі тиск і потоки, які були раніше виміряні у кожного відповідного пацієнта.

Зробивши ще один крок, команда прагнула відтворити деякі з втручань, яких зазнали кілька пацієнтів, щоб побачити, чи реагують роздруковані серця та судина так само. Деяким пацієнтам встановлено клапанні імплантати, призначені для розширення аорти. Рош та її колеги імплантували аналогічні клапани у роздруковані аорти, змодельовані за зразком кожного пацієнта. Коли вони активували надруковане серце для перекачування крові, вони помітили, що імплантований клапан забезпечує такі ж покращені потоки, як і в реальних пацієнтів після хірургічних імплантів.