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哈佛大學研究人員開發3D打印合成心臟瓣膜

2023-07-04

導讀：風濕熱可能會損害兒童的心臟瓣膜，導致風濕性心臟病、中風和心力衰竭。如今，通過手術修復心臟瓣膜是可能的，但如果患者是身體仍在生長的兒童，問題就變得十分困難。有時，需要進行多次侵入性手術才能用更大的瓣膜進行替換，而生產人造心臟瓣膜的過程成本高昂且漫長。為了解決上述問題，來自哈佛大學的研究人員正在努力通過3D打印技術合成心臟瓣膜，該瓣膜能夠與年輕患者一起生長，從而消除額外的手術。

2023年7月，哈佛研究團隊正在致力于創造這種革命性的兒童心臟瓣膜，稱為FibraValve，可以在短短10分鐘內通過稱為PLCL的聚己內酯(PCL)和聚乳酸(PLA)的材料進行組合，使用聚焦旋轉噴射紡絲(FRJS)的新方法進行3D打印，該技術允許將結構定制至納米級。

研究人員在研究中寫道：“不幸的是，目前的心臟瓣膜置換術并不能與孩子一起成長，因此需要在兒科患者的一生中重復進行高風險手術。FibraValves采用可生物降解的聚合物纖維制造，允許患者的細胞附著和重塑植入的支架，最終構建一個可以與孩子一起成長并終生生活的原生瓣膜。”

研究主任Parker和Hoerstrup近十年來一直致力于開發活的、生長的心臟瓣膜，并于2017年生產了他們的第一個合成心臟瓣膜JetValve。這是使用早期版本的FRJS制造的，其中生物相容性合成聚合物通過噴嘴并紡成長納米纖維，這些纖維收集在閥門形狀的心軸上，以快速生產生物相容性閥門。兩人成功地將他們的JetValve植入了綿羊的心臟，該心臟能夠在那里正常工作并聚集活細胞再生新組織，但這仍有改進的空間。

對于新的FibraValve，研究團隊設計了一個閥形框架，使用FRJS的同時添加了空氣噴射流，使框架充滿液體聚合物。這可以輕松調整最終形狀，并提高纖維沉積到心軸上的速率，最終得到了一種合成的3D打印結構，具有網狀納米纖維網絡，可以讓細胞滲透和生長。

該研究的資深作者、哈佛大學生物工程教授Parker解釋道：“細胞在納米尺度上運作，3D打印無法達到這個水平，但集中旋轉噴射紡絲可以在其中放置納米尺度的空間結構。這樣，當細胞進入支架時，它們感覺就像在心臟瓣膜中，而不是合成支架中。”

△FibraValve由聚合物纖維長絲組成，復制了人類心臟瓣膜的物理特性，并且具有足夠的多孔性，可以讓細胞滲透并用活組織替換支架。

此外，該團隊定制的PLCL聚合物材料不僅可以改善FibraValve進入體內后活細胞的滲透，而且還可以生物降解。FibraValve比其前身更具彈性，還允許細胞在整個支架上更均勻地分布。該團隊還優化了瓣膜內部“小葉”的形狀，以減少通過瓣膜漏回的血液量。通過所有這些改進，FibraValve可以實現自我重塑，對于心臟仍在生長的兒童心臟瓣膜疾病患者非常有用。

Parker說：“這項研究說明了FibraValves作為患有瓣膜疾病的兒童的解決方案的潛力，我們的目標是讓患者的原生細胞使用該設備作為藍圖來再生自己的活瓣膜組織，但FRJS也有潛力作為未來制造其他醫療設備的平臺。”

△聚合物和聚焦空氣射流被迫通過紡絲裝置，聚合物纖維聚集在閥形心軸上形成FibraValve。

蘇黎世的Hoerstrup團隊將3D打印的FibraValve植入活羊的心臟中，它立即開始發揮作用，小葉打開和關閉，以實現每次心跳時血流的調節。一小時后，研究人員觀察到稱為纖維蛋白的蛋白質沉積在瓣膜外部，紅細胞和白細胞滲透到其多孔支架中，沒有發現副作用、血栓形成或任何其他問題的跡象。現在，該團隊期待在長期動物測試中評估FibraValve的性能和再生能力。Hoerstrup說：“從臨床角度來看，FibraValve的這些首次體內結果很有希望，并激勵我們啟動進一步的臨床前評估。”

研究人員相信，他們的3D打印心臟瓣膜置換方法最終可能會帶來更多定制化的植入式醫療設備，例如血管、其他瓣膜和心臟補片。

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