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3D打印技术

已不依靠工作经验,三维打印人性化模型让心脑血管病消融手术更靠谱


发布日期:2020-12-04 来源: 凌云3D


现阶段经软管主动脉瓣融合术(T****R)关键取决于临床医生的专业技能和工作经验,存有着瓣周漏(PVL)和传输阻碍等手术后病发症的风险性,怎样依据患者特殊的解剖学特点开展T****R手术前整体规划,是当今心脑血管疾病医治的一大困扰。

明尼苏达高校的Michael C. McAlpinel研究组近期在Science Advances刊物上发布了“三维 printed patient-specificaortic root models with internal sensors for minimally invasive applications”文章内容,根据三维打印搭建了患者人性化、集成化感应器列阵的主动脉根处模型,根据液位传感器列阵、并融合血流动力学科学研究来剖析生物鼻子假体瓣膜嵌入的危害,以降低T****R手术后病发症的风险性。

人性化的主动脉根模型

非先天主动脉瓣狭小(AS)是老人的普遍心脑血管疾病之一,因为增厚阻拦瓣膜的健身运动范畴,造成主动脉瓣口总面积变小,促使从左心房到主动脉的血液遇阻,并最后造成 心房功能问题。心血管瓣膜换置做为规范的治疗方式,因为病发症的几率高,针对老年人患者具备非常大的风险性。经软管主动脉瓣融合术(T****R)做为一种消融手术,根据软管将人工合成生物瓣膜传至生病地区,很有可能会造成瓣周漏(PVL)和传输阻碍等手术后病发症。

T****R手术后病发症的产生,与增厚的分布模式、患者与生物鼻子假体瓣膜的规格不搭配、嵌入深层和精准定位不正确等相关,现阶段关键取决于临床医生的专业技能和工作经验。因而,怎样依据患者特殊的解剖学特点,恰当挑选和提升这种要素中间的相互影响,针对T****R方案降低手术后病发症和患病率的风险性尤为重要。

因而,本科学研究根据身体之外三维打印患者人性化的主动脉根模型,开展血流动力学科学研究,并集成化液位传感器列阵来检验生物鼻子假体瓣膜的尺寸和嵌入部位的危害,为临床医生出示T****R手术治疗前整体规划,以降低手术后病发症的风险性。

图1. 三维打印人性化的主动脉根模型

实验方法

根据三维多原材料打印搭建患者人性化、集成化感应器列阵的主动脉根处模型,并与相对患者的数据信息开展比照,以评定三维打印模型的实际效果。从总体上,模型包括三种不一样的原材料,其特性各自与i)主动脉,ii)心脏机构和瓣膜,iii)增厚机构相符合。在打印解剖学构造的另外集成化液位传感器列阵,能够便捷检验不一样病案中生物鼻子假体瓣膜的尺寸和嵌入高宽比造成的接触压力和临界值部位。

关键实验方法包含:

三维打印原材料的配置

原材料关键由硅酮耐候胶(做为硫化促进剂以平稳构造)和散热膏(填充料)构成,具备优良的打印特性、室内温度硫化橡胶及其物理性能可调式等优势。针对黑墨水的制取,将表面活性剂和填充料以不一样质量比根据抽滤混和(2000 rpm, 6min),进而产生具备不一样特性的订制高聚物黑墨水。为了更好地打印增厚地区,应用了ALEX PLUS添充原材料(DAP Products Inc.)。除此之外,在三维打印全过程中,应用Pluronic 127放弃黑墨水来搭建支撑点构造,待模型打印、干固后,根据用凉水清洗除去Pluronic 127的支撑点构造。

主动脉根模型的打印

应用订制化的双喷嘴三维打印机器设备来打印主动脉根模型,并应用了四种不一样特点的黑墨水,包含主动脉壁黑墨水,心脏和瓣膜黑墨水,增厚地区黑墨水和支撑点原材料黑墨水,并由四个单独的上加料器来操纵。本科学研究共打印了三例患者人性化的主动脉根模型,各自用以打印精密度剖析、血夜动力学模型科学研究和感应器集成化。在其中:

针对精密度剖析和血夜动力学模型科学研究,应用內径为1.36mm和楼高为1.2毫米的喷头来打印心脏一部分以及相对的支撑点构造,并应用內径为0.84mm和楼高为0.7mm的喷头来打印瓣膜、主动脉壁、增厚以及相对的支撑点构造,这时模型的界限和添充地区的打印速率各自设定为20 mm/s和10 mm/s。

为了更好地搭建集成化感应器列阵的模型,模型的下边(心脏和主动脉根)应用了內径为0.51mm和楼高为0.4mm的喷头来打印高像素的感应器列阵,模型的顶端(升主动脉)应用內径为1.36mm和楼高为1.2毫米来打印,这时模型的界限和添充地区的打印速率各自设定为11mm/s和8毫米/s。

打印后,将模型置放在环境质量中5至7天,以保证 彻底干固,并且用凉水清洗来除去支撑点构造。

集成化感应器列阵

感应器电级选用正离子凝胶剂前体水溶液来成型,其关键由溶解8 M氯化锂水溶液中的正丁酸单个、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(偶联剂)和2-甲基-2-羟基苯乙酮(光稳定剂)构成。三维打印模型彻底干固后,将正离子凝胶剂前体水溶液(各自加上橘色和绿色染料)引入安全通道中,并根据UV直射开展光汇聚化学交联。

试验結果与剖析

原材料流变性特点的定性分析

不一样秘方的生物黑墨水都主要表现出裁切变浓(shear thinning)和屈服应力(yield stress)的特点,有益于微挤压式打印。在打印全过程中,向黑墨水释放超出屈服极限的工作压力,这时储能技术应变速率(G')减少到小于损耗模量(G″)的值(相近黏性液體的个人行为),进而容许黑墨水根据喷头挤压喷头;一旦黑墨水被堆积且原材料上的剪应力被释放出来,储能技术应变速率(G')快速提升到线形粘弹性地区的稳定值,有利于堆积黑墨水的样子维持(G'> G″,相近固态的个人行为)。

三维打印模型的高保真剖析

根据三维配准技术性开展定量分析表层较为,以评定三维打印的主动脉根模型与患者解剖学构造中间的高保真。绝大多数校准间距点遍布在-3~3 mm中间,且三维打印模型中体素在患者主动脉根处5、3和毫米内的占比各自为91.3、78.9和43.6%。进一步,将T****R人工合成生物瓣膜嵌入到三维打印的主动脉根模型中,并根据CT显像与患者的手术后数据信息开展较为。嵌入后,三维模型中主动脉内壁增厚的部位与患者手术后数据信息十分贴近,T****R生物瓣膜的直徑会产生变化,且该直徑变化量能够做为评定三维模型精确性的一个重要指标值。

身体之外血夜动力学模型科学研究

选用水和凡士林的混和水溶液(质量比为6:4)来仿真模拟血夜的动力粘度和相对密度,并将打印的主动脉根模型联接脉动饮料泵,根据调节泵的工作中主要参数来仿真模拟生理学情况下的流动性:

在一个流动性循环系统内,伴随着心房工作压力超过主动脉工作压力,主动脉瓣开启并容许液体从心房注入主动脉(收缩期);

一旦心房工作压力小于主动脉工作压力,主动脉瓣关掉(左室期)。

依据来自于一切正常身体和主动脉狭小患者的解剖学构造,应用不一样弹性模具的黑墨水各自三维打印了2组主动脉根模型,相匹配的主动脉顺应性各自为0.90和2.11ml/mmHg,与临床数据(一切正常:0.90 ± 0.17ml/mmHg;患者:1.91 ± 0.76ml/mmHg)一致。

图2. 主动脉根模型与患者解剖学构造和手术后数据信息的较为。

液位传感器列阵的集成化

为了更好地定量分析检验嵌入生物鼻子假体瓣膜后在主动脉临界值地区释放的工作压力,学者在主动脉根模型的临界值地区,集成化了一种与嵌入的瓣膜直接接触的电容传感器液位传感器列阵。这儿,选用3×3列阵做为概念设计认证,每一个感测器元器件均包含双层导电性电级(絮凝剂基正离子凝胶剂),正中间被电解介质聚氨酯弹性体(有机硅材料基原材料)分分隔。释放到感应器上的工作压力会造成 电解介质聚氨酯弹性体层的形变,进而造成电容器产生变化,从而测算出工作压力值。历经校正后,感应器出示的工作压力布局图能够用于提升生物瓣膜的移殖高宽比和指向部位。

图3.在主动脉根模型中集成化感应器列阵,以显示信息瓣膜嵌入手术后释放的工作压力。

依据AS患者特殊的解剖学特点开展T****R手术前整体规划,可以推动各种各样AS病案的确诊管理决策全过程。本科学研究根据三维打印搭建了患者人性化、集成化液位传感器列阵的主动脉根模型,并融合血流动力学科学研究,来全方位剖析生物鼻子假体瓣膜嵌入的危害,可合理填补当今T****R手术前整体规划中的临床教学,将有希望降低T****R手术后病发症的风险性。


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