Около 850 000 человек будут нуждаться в искусственных клапанах сердца в 2050 году 1. Причинами такого высокого спроса, вероятно, являются старение общества, отсутствие физических упражнений и плохое питание. Но зачем нужны искусственные клапаны сердца
Сердце человека состоит из нескольких камер и предсердий, каждая из которых оснащена сердечным клапаном. Они действуют как клапаны и гарантируют, что кровь течет только в одном направлении. Если клапаны сердца протекают, сужаются, увеличиваются или даже рвутся, кровь возвращается в камеры или предсердия сердца. Это ложится тяжелым бременем на орган. В худшем случае возникают сердечные аритмии или сердечная недостаточность. Чтобы противодействовать этому, искусственные клапаны сердца помогают, в зависимости от серьезности дефекта клапана.
Картинная галерея
Предыдущие искусственные клапаны сердца имеют жесткую геометрию
До настоящего времени кардиохирурги использовали модели, которые состоят преимущественно из металлических частей или тканей животных от коров. Для того, чтобы такие имплантаты были совместимы, пациенты должны принимать иммуносупрессивные или разжижающие кровь лекарства, которые имеют значительные нежелательные побочные эффекты. Кроме того, геометрия предыдущих моделей жесткая. Это мешает хирургам подключать искусственные клапаны сердца, «водонепроницаемые», к кровотоку или к сердцу. «Сегодняшние запасные клапаны круглые, а аорты нет. Он имеет различную форму для всех », - говорит Мануэль Шаффнер, бывший докторант Андре Студар, профессор сложных материалов. Наконец, что не менее важно, производство искусственных клапанов сердца дорого и требует много времени.
Определите индивидуальную форму и размер протекающего сердечного клапана на КТ
Поэтому исследователи из ETH Zurich и южноафриканской компании SAT искали - и нашли - альтернативу заменяющим сердечным клапанам, используемым сегодня. Они разработали искусственный сердечный клапан из силикона, который они производят в три этапа с использованием 3D-принтеров. Исследователи сообщили об этом развитии в последнем номере журнала «Материя».
Новая модель имеет несколько преимуществ по сравнению с существующими: силиконовый сердечный клапан сделан специально, потому что исследователи сначала определяют индивидуальную форму и размер протекающего сердечного клапана с помощью компьютерной томографии или магнитно-резонансной томографии. Это позволяет напечатать сердечный клапан, который точно подходит пациенту. Исследователи используют изображения для создания цифровой модели сетки и компьютерного моделирования, с помощью которого они могут заранее рассчитать силы и деформации, действующие на имплантат.
Во-первых, ученые создают негативное впечатление от клапана. Силиконовые чернила распыляются на это впечатление формы трехконечной коронки, что приводит к тонким крыльям клапана. На следующем этапе экструзионный принтер с жесткой силиконовой пастой печатает определенные узоры, сделанные из тонких нитей на их поверхности. Они соответствуют волокнам коллагена, которые проходят через естественные клапаны сердца. Силиконовые нити укрепляют крылышки клапана и продлевают срок службы сменного клапана. Корень кровеносного сосуда, соединенный с сердечным клапаном, печатают тем же способом и, наконец, покрывают ретикулярным стентом, который необходим для соединения силиконового клапана замены с реальным кровотоком. Материал также совместим с корпусом, и кровоток через силиконовый сердечный клапан такой же хороший, как и у обычных сменных клапанов.
расходы
Когда стоит использовать 3D-печать?
Искусственный сердечный клапан всего за 1,5 часа
Чтобы изготовить такой клапан с помощью 3D-принтера, исследователям материалов понадобится всего около полутора часов. Однако создание вручную искусственного клапана сердца из материала крупного рогатого скота занимает несколько рабочих дней.
Первоначальные тесты показали многообещающие результаты работы сердечного клапана. Цель исследователей материалов - увеличить срок службы таких сменных клапанов до 10–15 лет. Современные модели так долго держатся у пациента, прежде чем их необходимо заменить. «Было бы неплохо, если бы в один прекрасный день мы смогли изготовить сердечные клапаны, которые прослужили бы всю жизнь и, возможно, даже росли бы вместе с пациентом, чтобы их можно было использовать и с молодыми людьми», - говорит Шаффнер.
КНИГА СОВЕТА В книге «Аддитивное производство» описаны основы и практические методы использования аддитивного производства в промышленности. Книга предназначена для дизайнеров и разработчиков, чтобы поддержать успешное внедрение аддитивных процессов в своих компаниях.
Отраслевые партнеры помогают выводить сердечный клапан на рынок
Однако для клинического использования искусственного клапана сердца требуется не менее десяти лет. Для этого продукты должны пройти множество клинических этапов. Фергал Коултер, первый автор исследования, в настоящее время работает над дальнейшей разработкой силиконового клапана сердца. «Такие тесты необходимы для того, чтобы технологии могли использоваться людьми», - подчеркивает он. Коултер является докторантом в группе Стударта и разработал 3D-принтеры, необходимые для печати клапанов сердца.
Коултер также продолжает экспериментировать с новыми материалами, чтобы продлить срок службы клапанов сердца. Однако для того, чтобы привести сердечный клапан к зрелости на рынке, требуется промышленный партнер или, в случае необходимости, дополнительный доход. «К сожалению, как исследовательская группа, мы не можем предложить всю цепочку от первого эксперимента до первого применения в организме человека», - подчеркивает Шаффнер.
3D печать
3D-печатные имплантаты сердца и кости - 3D Pioneers Challenge выбирает победителей
* 1: Sewell-Loftin MK, Chun YW, Khademhosseini A., Merryman WD: EMT-индуцирующие биоматериалы для конструирования клапанов сердца: на примере биологии развития. J. Cardiovasc. Перев. Рез. 2011; 4: 658-671.