綜述《Trends in Biotechnology》：3D 打印心臟瓣膜

來源：EFL生物3D打印與生物制造

心臟瓣膜疾病是現(xiàn)代重要健康負(fù)擔(dān)，目前臨床常用的機(jī)械瓣膜和生物瓣膜存在需終身抗凝、結(jié)構(gòu)易退化等問題，而聚合物瓣膜和組織工程瓣膜尚未實(shí)現(xiàn)主流臨床應(yīng)用。來自西澳大學(xué)Elena M. De-Juan-Pardo團(tuán)隊(duì)在《Trends in Biotechnology 》期刊上發(fā)表文章“3D printing of heart valves”，綜述了3D打印心臟瓣膜的研究進(jìn)展，聚焦于利用該技術(shù)制造患者特異性模具之外的研究。文中探討了人工心臟瓣膜在流體力學(xué)、耐久性、生物相容性及經(jīng)導(dǎo)管植入兼容性方面的關(guān)鍵要求，分析了立體光刻、直接墨水書寫等3D打印技術(shù)在心臟瓣膜工程中的應(yīng)用，參考ISO標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估了這些瓣膜的功能。研究指出，3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多材料組裝及仿生結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)出前所未有的潛力，有望對(duì)人工心臟瓣膜的研發(fā)產(chǎn)生重大積極影響并可能實(shí)現(xiàn)完全復(fù)雜功能。

研究?jī)?nèi)容
通過示意圖及公式推導(dǎo)，研究了經(jīng)瓣膜壓力梯度（TVPG）、有效孔面積（EOA）、總反流分?jǐn)?shù)（TRF）在主動(dòng)脈瓣位置的計(jì)算方法及臨床意義。結(jié)果表明，3D 打印瓣膜需滿足 ISO 標(biāo)準(zhǔn)中 EOA≥1.15 cm²、TRF≤20% 等核心指標(biāo)，部分 3D 打印瓣膜（如 MEW 復(fù)合瓣膜）的 EOA 和 TVPG 已接近或優(yōu)于健康瓣膜水平，但長(zhǎng)期耐久性仍待提升。通過匯總不同技術(shù)的材料、細(xì)胞類型及研究時(shí)間，研究了SLA、DIW、MEW等技術(shù)在TEHV和PHV中的適用場(chǎng)景。結(jié)果顯示，TEHV以水凝膠和可降解聚合物為主，側(cè)重細(xì)胞相容性；PHV多用硅基和聚氨酯材料，強(qiáng)調(diào)力學(xué)耐久性，且DIW和MEW技術(shù)在多材料集成與結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)控制中表現(xiàn)突出。

圖1. 通過ISO 5840評(píng)估的主要水動(dòng)力指標(biāo)示意圖

圖2. 工程心臟瓣膜用3D打印技術(shù)的工作原理示意圖

1. 3D打印心臟瓣膜-立體光刻（SLA）和直接墨水書寫（DIW）
通過設(shè)計(jì)均質(zhì)/異質(zhì)水凝膠結(jié)構(gòu)、細(xì)胞封裝及仿生硅基框架，研究了SLA和DIW技術(shù)在瓣膜力學(xué)性能與流體動(dòng)力學(xué)的表現(xiàn)。結(jié)果顯示，SLA異質(zhì)水凝膠瓣膜經(jīng)Fe³⁺強(qiáng)化后抗疲勞循環(huán)次數(shù)提升超17倍，DIW硅基PHV通過4000萬次循環(huán)測(cè)試，流體力學(xué)指標(biāo)（EOA、TRF）符合ISO標(biāo)準(zhǔn)，且含細(xì)胞的DIW瓣膜可促進(jìn)細(xì)胞存活與基質(zhì)沉積。

圖3. 基于立體光刻（SLA）和直接墨水書寫（DIW）的3D打印心臟瓣膜   

2. 3D打印心臟瓣膜-生物繪圖（Bioplotting）和熔融電寫（MEW）
通過膠原蛋白生物墨水打印、脫細(xì)胞處理及仿生纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究了生物繪圖和MEW技術(shù)在瓣膜仿生結(jié)構(gòu)與生物相容性的應(yīng)用。結(jié)果表明，生物繪圖技術(shù)可構(gòu)建完整心臟模型，但流體力學(xué)性能待優(yōu)化；MEW仿生膠原纖維瓣膜力學(xué)性能接近天然組織，復(fù)合水凝膠后流體循環(huán)測(cè)試表現(xiàn)優(yōu)于部分臨床瓣膜，且大鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示支架可促進(jìn)細(xì)胞浸潤(rùn)與膠原沉積。      

圖4. 基于生物繪圖（Bioplotting）和熔融電寫（MEW）的3D打印心臟瓣膜   

3. 3D打印心臟瓣膜與商用瓣膜的流體力學(xué)性能對(duì)比
通過對(duì)比ISO標(biāo)準(zhǔn)下的關(guān)鍵指標(biāo)（EOA、TRF、TVPG），研究了3D打印瓣膜與市售機(jī)械瓣、生物瓣的功能差異。結(jié)果表明，部分3D打印瓣膜（如MEW復(fù)合TEHV）的有效開口面積（EOA）和跨瓣壓力梯度（TVPG）優(yōu)于臨床產(chǎn)品，但疲勞循環(huán)次數(shù)（最高4000萬次）尚未完全滿足ISO要求（2億次），顯示出在流體力學(xué)上的潛力與耐久性提升空間。

表1. 3D打印心臟瓣膜與商用瓣膜的流體力學(xué)性能對(duì)比

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2023.11.001