卡內基梅隆大學的一組研究人員開發了一種新的3D生物列印方法，該方法可以生成逼真的全尺寸人類心臟模型。
科學家的懸浮水凝膠自由形式可逆嵌入技術（FRESH）涉及將環保型藻酸鹽聚合物擠出到定製的明膠容器中。利用他們新穎的過程，該團隊旨在與外科醫生合作，為手術訓練和預計劃應用創建針對患者的臨床模型。
該項目的負責人亞當·費恩伯格教授說：「外科醫生可以對其進行操縱，並使其真正像真實的組織一樣做出反應。」 「因此，當他們進入手術現場時，他們在該環境中又增加了一層實際實踐。」
「我們現在可以建立一個模型，該模型不僅可以進行視覺規劃，還可以進行體育鍛鍊。」
一種「新鮮」的新型3D列印方法
越來越多的外科醫生正在採用3D列印作為開發定製模型的方法，這些模型可以使他們向患者解釋心臟程序。使用生物印記生產這些複製品使它們變得現實，但也為將來進行組織工程和再生醫學應用提供了可能性。
目前，諸如立體光刻（SLA）和熔融沉積建模（FDM）之類的常見3D列印技術正在用於再現逼真的器官。儘管這樣的方法通常已取得了積極的成果，但迄今為止，其廣泛採用受到其成本和製造它們所需的專業知識水平的限制。
為了克服這些限制，Feinberg教授和他的同事們花了兩年時間研究如何以全尺寸列印人類心臟模型，並提出了一種FRESH新方法。該團隊的新穎技術始於使用從MRI掃描和其他掃描過程中收集的數據來設計準確的3D模型。
然後使用直徑為250微米的針頭列印最終的設計，該針頭將藻酸鹽擠出到定製的容器中，該容器的大小足以容納完整尺寸的複製品。最終發現該團隊的新方法可以產生比以前更耐用的模型，從而有可能使它們更有效地用作外科手術訓練工具。
該圖顯示了Feinberg及其團隊製造的全尺寸3D列印成人心臟模型。圖片來自卡耐基梅隆大學。
3D列印全尺寸手術模型
在3D列印過程中，科學家將藻酸鹽用作模型的主要材料，因為它與有機心臟組織的質地和機械特性非常相似。更重要的是，較軟的材料（例如TPU和矽樹脂）在重力的作用下會發生變形，從而使剛性稍高的藻酸鹽成為更合適的選擇。
在製造出一系列原型後，研究人員在明膠容器中對它們進行了12小時的後處理，然後將它們放入培養箱中過夜以去除明膠支持物。一旦準備好了附加心臟模型，Feinberg和他的團隊便通過查看聚合物在縫合過程中可以伸展多遠的位置來進行測試。
結果表明，藻酸鹽具有足夠的抗張強度，可以製成心臟模型供外科醫生進行練習。然後，研究人員開始使用他們的FRESH方法來製造較小的模型，該模型由充滿假血的冠狀動脈組成，這也可能對培訓外科醫生有用。
有趣的是，該團隊發現擠出機的針尖存在問題，因為它需要足夠長的長度才能到達熔池的底部，並支撐印刷材料。為解決此問題，創建了3D列印的針頭支撐環，可以將其更換並隨意連接到印表機的擠出機頭上。
研究人員得出的結論是，他們的3D模型適合作為外科手術訓練工具來進行縫合以及可以在人的真實心臟上進行的其他手術。總體而言，該項目可以開拓其他研究途徑，並且在將來，該團隊希望他們的FRESH方法能夠導致生物醫學測試工具的開發。
圖像顯示四次掃描，第一幅圖像顯示基於MRI掃描的心臟，最後一張圖像是使用藻酸鹽的全尺寸FRESH列印圖像。圖片來自卡耐基梅隆大學。
3D列印和以往的事情
近年來，各種科學家已經採用3D列印作為產生逼真的器官模型的方法，從而擴大了我們對人體的了解。
2020年7月，明尼蘇達大學開發了一種新型生物墨水，該墨水幫助他們創建了一種功能強大的3D列印跳動心臟，該心臟由充滿細胞的生物材料製成。該團隊的新穎材料使他們能夠3D列印具有更多腔室，心室和高細胞壁厚度的主動脈副本。
今年早些時候，德克薩斯大學埃爾帕索分校（UTEP）和德克薩斯理工大學健康科學中心埃爾帕索分校（TTUHSC El Paso）的生物醫學研究人員共同致力於3D列印迷你心臟。充滿細胞的結構被送到國際空間站（ISS），研究微重力如何影響人類心臟的功能。
同樣在2018年，鄭州大學的一群醫生對25名患者進行了一項研究，以強調如何在心臟手術中使用3D列印的解剖模型。該團隊最終使用CT掃描來開發特定於患者的模型，該模型可以1：1比例進行3D列印。