3D打印制備纖維增強主動脈模型
魔猴君 行業(yè)資訊 955天前
3D打印技術因其成型自由度高、快速及個性化制造等優(yōu)點，已廣泛應用于臨床診斷、手術規(guī)劃、組織工程支架和假體植入物的制造等醫(yī)學研究中。近日， 蘇黎世聯(lián)邦理工學院 Paolo Ermanni 團隊 在 Materials Letters 期刊發(fā)表題為“ 3D printed mechanically representative aortic model made of gelatin fiber reinforced silicone composite ”的文章，報道了一種利用3D打印技術，由明膠纖維增強的硅膠復合材料制備，具有仿生應力應變行為的主動脈模型。
背景介紹
主動脈瓣狹窄是一種常見的老年性退行性心瓣膜疾病。對嚴重主動脈瓣狹窄患者，經導管主動脈瓣置換術（Transcatheter Aortic Valve Replacement，TAVR）是一種有效的治療手段。該技術通過股動脈送入介入導管，將人工心臟瓣膜輸送至主動脈瓣區(qū)打開，從而完成人工瓣膜置入，恢復瓣膜功能。在上述過程中，選擇具有合適幾何形狀的TAVR瓣膜對于手術治療成功具有重要意義。因此，外科醫(yī)生需要在手術前對患者主動脈結構進行分析，并為每位患者選擇尺寸合適的心臟瓣膜。
目前已有研究通過計算機斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)實現(xiàn)主動脈瓣的三維重建，利用3D打印技術制造個體患者的主動脈模型。但現(xiàn)有主動脈模型研究大多采用單一橡膠類材料制造，這種模型僅能復現(xiàn)患者主動脈結構，不能模擬天然主動脈組織的典型J形應力應變行為。因此，無法為外科醫(yī)生提供真實反應主動脈特性的手術規(guī)劃模型。
在本研究中，Paolo Ermanni團隊構建了一種明膠纖維增強的新型硅基復合材料，開發(fā)了單向明膠纖維的制備技術，利用3D打印技術制備了兼具患者特定幾何形狀且主動脈組織真實材料特性的手術規(guī)劃模型。
實驗過程與結果
1、患者主動脈解剖結構構建
基于患者心臟的CT圖像，使用Mimics醫(yī)學圖像處理軟件，將“醫(yī)學數(shù)字圖像和通信”（DIACOM）數(shù)據(jù)轉換為計算機輔助設計文件，分析匿名患者心臟的計算機斷層掃描圖像。使用三維可視化軟件3-matic用于處理從DIACOM 提取的幾何圖形，實現(xiàn)患者主動脈模型的三維重建。
圖1. 患者主動脈解剖結構三維構建
2 、 3D 打印制備主動脈硅膠模型
硅膠墨水由Dragon Skin 30、SLO-JO緩凝劑和親水性氣相法二氧化硅混制而成，犧牲墨水選用Nivea Cream。基于雙噴頭3D打印機，使用硅膠墨水打印模型結構部分、犧牲墨水打印支撐結構部分。每打印兩層，使用紅外燈進行60秒的光固化。打印完成后，用純水清洗去除支撐結構。
圖2. 基于雙噴頭3D打印制備主動脈硅膠模型
3 、定向明膠纖維增強的復合模型制備
研究者使用下圖3中自制的明膠纖維收集裝置。將制備的明膠纖維按照一致的取向手動分配在硅膠模型外側，并進一步將復合模型浸入硅膠墨水中，用硅膠墨水覆蓋上述明膠纖維。綜上，研究者采用3D打印硅膠模型、纏繞定向明膠纖維、浸涂硅膠外層的方法，制備“三明治”夾層結構、明膠纖維增強的主動脈復合模型。
圖3. 用于制備明膠纖維的自制裝置
圖4. 制備明膠纖維增強的硅膠復合模型
4 、復合模型機械性能表征
為了制備與病變主動脈組織匹配的力學行為，對不同纖維體積分數(shù)的明膠纖維增強的硅膠復合材料進行了測試，并與真實人體主動脈組織進行比較。明膠纖維增強的硅膠復合材料的力學拉伸結果展現(xiàn)出明顯的J形應力-應變曲線。明膠纖維體積分數(shù)在10%到15% 之間的復合材料與本研究中所測81歲人類主動脈組織的力學行為接近。此外，可以通過調整“三明治”夾層結構中明膠纖維的方向來模擬不同區(qū)域的力學各向異性行為。
圖5. 制備明膠纖維增強的硅膠復合模型
結論
本研究使用硅膠為基質材料、定向明膠纖維為增強相，制備了 “三明治”夾層結構的3D打印主動脈復合模型。通過改變沉積于復合模型中明膠纖維的比例調整模型力學特性，以模擬主動脈組織必要的J形應力-應變機械響應。在未來研究中，研究者規(guī)則進一步改進模型中明膠纖維的精確分配，使該模型成為TAVR手術規(guī)劃中的有效訓練工具。
參考文獻
Kuthe S、Schlothauer A、Bodkhe S 等人。 明膠纖維增強有機硅復合材料3D打印機械代表性主動脈模型[J]. 材料快報，2022：132396。https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132396
來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guoneidongtai/42459.html
