哈佛再生医学获突破：3D打印心脏瓣膜，并有潜力扩展到血管、其他瓣膜和心脏补片

| 3DScienceValley · 2023/07/10

根据3D科学谷的市场了解，市场上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。尽管可能已经存在其他类型的心脏瓣膜植入物，但使用这些植入物总是伴随着不同的并发症。例如，机械瓣膜容易在金属表面形成血栓，这可能导致严重的并发症。除此之外，患者还必须终生使用血液稀释药物，以及身体活动的限制。

3D科学谷了解到哈佛大学的研究人员正在努力通过3D打印合成心脏瓣膜来解决这个问题，该瓣膜旨在与年轻患者一起成长，从而消除额外的手术。

FibraValve 由聚合物纤维长丝组成，复制了人类心脏瓣膜的物理特性，并且具有足够的多孔性，可以让细胞渗透并用活组织替换支架。
© 哈佛大学

3D打印心脏瓣膜
© 3D科学谷白皮书

根据美敦力. 瓣膜性心脏疾病健康知识普及系列，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。

一起成长的瓣膜

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。

儿童的心脏瓣膜可能会因风湿热而受损，从而导致风湿性心脏病，并导致更严重的健康问题，例如中风和心力衰竭。通过手术修复心脏瓣膜是可能的，但当你面对的是身体仍在生长的儿童时，这会变得更加困难。有时，需要进行多次侵入性手术才能用更大的瓣膜替换瓣膜，而生产人造心脏瓣膜的过程成本高昂且漫长。

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，此前，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。

哈佛大学维斯生物工程研究所和约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的一个团队，通过3D打印 PLCL 的聚己内酯 (PCL) 和聚乳酸 (PLA) 来定制心脏瓣膜，

根据3D科学谷的市场了解，哈佛大学Lewis团队开发了旋转多材料3D打印技术可实现异质螺旋亚三维结构，该技术能够对方位异质结构细丝的局部方向进行亚体素控制。通过调控3D打印过程的角速度，可以制造出具有不同力学性能的细丝。通过这种增材制造技术，可以设计每一个晶格框架的力学性能，实现差异化和结构化打印。

根据3D科学谷，市场上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。

之前的心脏瓣膜置换术不能与孩子一起成长，因此需要在儿科患者的一生中重复进行高风险手术。而3D打印的FibraValves 采用可生物降解的聚合物纤维制造，允许患者的细胞附着和重塑植入的支架，最终构建出一个可以与孩子一起成长并终生相融的原生瓣膜。

改善活细胞渗透

根据百度百科，再生医学（regenerative medicine）的概念广义上讲，再生医学原先指体内组织再生的理论、技术和外科操作，也可以认为是一门研究如何促进创伤与组织器官缺损生理性修复，以及如何进行组织器官再生与功能重建的学科，可以理解为通过研究机体的正常组织特征与功能、创伤修复与再生机制及干细胞分化机理，寻找有效的生物治疗方法，促进机体自我修复与再生，或构建新的组织与器官以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能。狭义上讲是应用生命科学、材料科学、临床医学、计算机科学和工程学等学科的原理和方法，研究和开发用于替代、修复、重建或再生人体各种组织器官的理论和技术的新型学科和前沿交叉领域。

哈佛大学的研究团队近十年来一直致力于开发能够“生长”的心脏瓣膜，并于 2017 年制造了第一个合成心脏瓣膜 JetValve。该团队定制的PLCL聚合物材料不仅可以改善 FibraValve 进入体内后活细胞的渗透，而且还可以生物降解。

在先前研究的基础上，该团队优化了瓣膜内部“小叶”的形状，以减少通过瓣膜漏回的血液量。

新的 FibraValve的创新点在于阀形框架，在空气喷射流的辅助下，框架可以充满3D打印的液体聚合物，这使得可以轻松调整最终形状，结果获得了一种合成的 3D 打印心脏瓣膜，具有网状纳米纤维网络，现在，FibraValve 比之前的版本更具弹性，并且还允许细胞在整个支架上更均匀地分布，可以让细胞渗透和生长，这对于心脏仍在生长的儿科心脏瓣膜疾病患者非常有用。

正如此前苏黎世联邦理工学院的研究团队曾在论文中指出的，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。

不过，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。哈佛大学的研究团队将3D打印的FibraValve 植入活羊的心脏中，它立即开始发挥作用，小叶打开和关闭，以实现每次心跳时血流的调节。一小时后，研究人员观察到称为纤维蛋白的蛋白质沉积在瓣膜外部，红细胞和白细胞渗透到其多孔支架中，没有发现副作用、没有血栓形成或任何其他问题的迹象。现在，该团队期待在长期动物测试中评估 FibraValve 的性能和再生能力。

从临床角度来看，FibraValve 的这些首次体内结果很有希望，并激励研究人员启动进一步的临床前评估。研究人员相信，他们的 3D 打印心脏瓣膜置换方法最终可能会带来更多定制化的植入式医疗设备，例如血管、其他瓣膜和心脏补片。

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