3D打印仿生人工心脏瓣膜技术研究

人工心脏瓣膜分为机械瓣膜、生物瓣膜，以及组织工程瓣膜，但无论哪种技术都存在尚未完善之处，所以对理想心脏瓣膜材料的研究还在继续。在人工心脏瓣膜领域，研究者的主要是围绕着提高材料的抗血凝性以及提高人工心脏瓣膜的寿命这两个目标。根据3D科学谷的市场研究，苏黎世联邦理工学院的研究团队提出一种多功能、多材料3D打印技术制造的有机硅心脏瓣膜，通过仿生的特殊设计来实现瓣叶的定制，并通过设计对整个小叶的应力分布进行控制，从而潜在的增加人工瓣膜的寿命。

3D打印有机硅心脏瓣膜。来源：Matter

多功能3D打印实现复杂仿生设计

瓣膜是心脏内部一个非常重要的结构，形状像花瓣，而且非常的薄，它们相当于心脏中房与房之间和心室与大动脉之间的大门，只能沿着血液流动的方向开启，保证血液顺着一个方向通过心脏，防止血液逆流。正常心脏瓣膜的开放和关闭有赖于瓣膜、瓣环以及腱索和乳头肌等结构，当心脏瓣膜出现结构或功能改变时，血液无法顺利排出，或者排出去的血液逆流回来,而使心脏负荷加重, 就会引发瓣膜性心脏病。[1]

瓣膜性心脏病严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时,则须采用人工心脏瓣膜置换术。

苏黎世联邦理工学院的研究团队在研究论文中表示，目前临床中使用的机械心脏瓣膜（MHV）在结构上是耐用的，但在血液上引起高剪切应力，并容易引起溶血和血液凝固，因此接受机械心脏瓣膜植入的患者需要终生服用抗凝药物。

生物瓣膜是一种采用生物体非存活组织的瓣膜，包括同种异体瓣膜、自体移植瓣膜和异种瓣膜。常见异种瓣膜包括牛心包瓣膜、猪主动脉瓣等。瓣膜制成后需要镶在特制的瓣架上。生物瓣膜具有较好的生物相容性，只需短期抗凝，血流动力学性能更为优良，但容易出现钙化、破损以及撕裂等问题。虽然近年来生物瓣膜结合经导管介入技术，能够实现微创治疗，但生物瓣膜的钙化问题仍然有待解决。

仿生3D打印瓣膜的多尺度设计。来源：Matter

还有一种新兴的人工瓣膜是组织工程瓣膜，这种瓣膜采用干细胞与组织工程支架相结合，可针对患者解剖结构定制，细胞能够根据患者的需要进行适应，重塑和生长，支架则逐渐在体内降解。但这一技术仍处在早期，还存在支架高分子材料表面缺乏细胞识别位点等原因，导致影响种植细胞在其表面粘附生长、种植细胞易于脱落等问题，此外还存在机械强度不足而引起无菌性炎症反应等问题。[2]

苏黎世联邦理工学院的研究团队在论文中指出，聚合物人工心脏瓣膜既具有机械性的优异耐久性，又像生物瓣膜那样具有增强的血液动力学功能。在人工心脏瓣膜领域，已有对于聚合物材料的应用，例如机械瓣膜中的聚四氟乙烯（PTFE）缝合环。

然而，其中大多数聚合物瓣膜材料尚未达到天然组织的性能，它们仍然会引起血栓和钙化问题，并且在血流循环负荷下，聚合物瓣膜易失效。虽然研究人员致力于找到具有更佳性能的聚合物瓣膜材料，但制造这类人工心脏瓣膜的成本仍然非常高，针对患者的个体化特点进行定制化的制造也难以实现。

有机硅心脏瓣膜的3D打印过程。来源：Matter

在此背景下，苏黎世联邦理工学院的研究团队提出了一种多功能、多材料3D打印技术，用于聚合物人工心脏瓣膜的数字化制造。研究团队使用具有可调机械性能以及生物相容性的有机硅为打印材料，打印工艺基于材料喷射和挤出。

有机硅瓣膜的多功能3D打印工艺（左）具有仿生结构的3D打印有机硅心脏瓣膜（右）来源：Matter

这一技术的特点是，可完全根据患者的解剖结构进行定制，并实现复杂的仿生设计结构。研究团队在试验中采用的瓣膜打印材料为一种有机硅材料，这种有机硅瓣膜具有可定制的几何形状和瓣叶结构，类似于天然瓣膜组织。

不同瓣叶结构的心脏循环期有限元计算机模拟。来源：Matter

计算机模拟显示，这种仿生的瓣叶结构能够影响整个瓣膜的应力分布，从而最大限度地减少心脏循环期间瓣叶的应力，潜在地增加假体瓣膜的寿命。研究团队的计算分析通过脉冲复制器中的体外实验来补充，以证明在生理压力循环下3D打印有机硅心脏瓣膜的出色血液动力学性能。

研究团队在论文中表示，总体而言，这种3D打印技术提供了一个人工心脏瓣膜的独特平台，所制造的瓣膜更接近生物医学植入物的复杂多尺度结构和功能。

研究论文”Bioinspired Heart Valve Prosthesis Made by Silicone Additive Manufacturing” 发表于《Cell》子刊《Matter 》的7月刊。

参考资料：

[1] 美敦力. 瓣膜性心脏疾病健康知识普及系列. https://www.medtronic.com/cn-zh/your-health/conditions/heart-valve-disease.html

[2] 卢永要，崔振铎等.各种材料在人工心脏瓣膜中的应用.