軟機(jī)器人模型是針對特定患者的，可以幫助臨床醫(yī)生為個人找到的植入物。

沒有兩顆心跳得一樣。心臟的大小和形狀因人而異。對于患有心臟病的人來說，這些差異尤其明顯，因?yàn)樗麄兊男呐K和主要血管更努力地工作以克服任何受損的功能。

麻省理工學(xué)院的工程師希望通過定制的機(jī)器人心臟幫助醫(yī)生根據(jù)患者特定的心臟形態(tài)和功能定制方案。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種程序，可以 3D 打印出柔軟而靈活的患者心臟復(fù)制品。然后他們可以控制復(fù)制品的動作來模仿患者的抽血能力。

該過程包括首先將患者心臟的醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為三維計(jì)算機(jī)模型，然后研究人員可以使用基于聚合物的墨水進(jìn)行 3D 打印。結(jié)果是一個柔軟、靈活的外殼，完全符合患者自己的心臟形狀。該團(tuán)隊(duì)還可以使用這種方法打印患者的主動脈——將血液從心臟輸送到身體其他部位的主要動脈。

為了模仿心臟的泵血動作，該團(tuán)隊(duì)制作了類似于血壓袖帶的袖套，將打印出來的心臟和主動脈包裹起來。每個袖子的底面都類似于圖案的氣泡膜。當(dāng)套筒連接到氣動系統(tǒng)時，研究人員可以調(diào)整流出的空氣，有節(jié)奏地使套筒的氣泡膨脹并收縮心臟，模仿其泵送動作。 

研究人員還可以在印刷的主動脈周圍給一個單獨(dú)的套筒充氣，以收縮血管。他們說，可以調(diào)整這種收縮以模仿主動脈瓣狹窄——主動脈瓣狹窄的一種情況，導(dǎo)致心臟更加努力地迫使血液通過身體。

醫(yī)生通常通過手術(shù)植入旨在加寬主動脈天然瓣膜的合成瓣膜來主動脈瓣狹窄。該團(tuán)隊(duì)表示，在未來，醫(yī)生可能會使用他們的新程序首先打印患者的心臟和主動脈，然后將各種瓣膜植入打印的模型中，以查看哪種設(shè)計(jì)能產(chǎn)生功能并適合該特定患者。心臟復(fù)制品還可以被研究實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)療設(shè)備行業(yè)用作測試各種類型心臟病療法的現(xiàn)實(shí)平臺。

“所有人的心都不一樣，”麻省理工學(xué)院-哈佛大學(xué)健康科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目的研究生 Luca Rosalia 說。“存在巨大差異，尤其是當(dāng)患者生病時。我們系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，我們不僅可以重建患者心臟的形狀，還可以重建其在生理學(xué)和疾病方面的功能?！?/span>

Rosalia 和他的同事在今天發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》雜志上的一項(xiàng)研究中報告了他們的結(jié)果。麻省理工學(xué)院的合著者包括 Caglar Ozturk、Debkalpa Goswami、Jean Bonnemain、Sophie Wang 和 Ellen Roche，以及麻省總醫(yī)院的 Benjamin Bonner、哈佛大學(xué)的 James Weaver，以及克利夫蘭診所的 Christopher Nguyen、Rishi Puri 和 Samir Kapadia在俄亥俄州。

打印和泵送

2020 年 1 月，由機(jī)械工程學(xué)教授 Ellen Roche 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)成員開發(fā)了一種“生物機(jī)器人混合心臟” ——心臟的一般復(fù)制品，由包含小型充氣圓柱體的合成肌肉制成，他們可以控制這些圓柱體以模仿心臟的收縮真正跳動的心。

經(jīng)過這些努力后不久，Covid-19 大流行迫使羅氏實(shí)驗(yàn)室以及校園內(nèi)的大多數(shù)其他實(shí)驗(yàn)室暫時關(guān)閉。羅莎莉亞并沒有氣餒，繼續(xù)在家里調(diào)整令人心跳加速的設(shè)計(jì)。

“那年 3 月，我在宿舍里重新創(chuàng)建了整個系統(tǒng)，”Rosalia 回憶道。

幾個月后，實(shí)驗(yàn)室重新開放，團(tuán)隊(duì)從中斷的地方繼續(xù)，努力改進(jìn)對心臟泵送套管的控制，他們在動物和計(jì)算模型中對其進(jìn)行了測試。然后，他們擴(kuò)展了他們的方法來開發(fā)針對個別患者的袖子和心臟復(fù)制品。為此，他們求助于 3D 打印。

“醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)κ褂?3D 打印技術(shù)準(zhǔn)確重建患者解剖結(jié)構(gòu)以用于術(shù)前規(guī)劃和培訓(xùn)非常感興趣，”Wang 指出，他是波士頓貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心的血管外科住院醫(yī)師。

包容性設(shè)計(jì)

在這項(xiàng)新研究中，該團(tuán)隊(duì)利用 3D 打印技術(shù)制作了真實(shí)患者心臟的定制復(fù)制品。他們使用了一種基于聚合物的墨水，一旦打印和固化，它就可以擠壓和拉伸，就像真正跳動的心臟一樣。

作為他們的源材料，研究人員使用了 15 名被診斷患有主動脈瓣狹窄的患者的醫(yī)學(xué)掃描。該團(tuán)隊(duì)將每位患者的圖像轉(zhuǎn)換為患者左心室（心臟的主要泵室）和主動脈的三維計(jì)算機(jī)模型。他們將這個模型輸入到 3D 打印機(jī)中，以生成柔軟的、解剖學(xué)上準(zhǔn)確的心室和血管外殼。

該團(tuán)隊(duì)還制作了袖子來包裹打印出來的表格。他們定制了每個袖子的口袋，這樣當(dāng)包裹在各自的形狀上并連接到一個小型氣泵系統(tǒng)時，袖子可以單獨(dú)調(diào)整以逼真地收縮和收縮打印的模型。

研究人員表明，對于每個模型心臟，他們可以準(zhǔn)確地重建先前在每個患者身上測量到的相同的心臟泵送壓力和流量。

“能夠匹配患者的流量和壓力非常令人鼓舞，”羅氏說。“我們不僅要打印心臟的解剖結(jié)構(gòu)，還要復(fù)制它的力學(xué)和生理學(xué)。這就是我們感到興奮的部分?！?/span>

更進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)旨在復(fù)制少數(shù)患者接受的一些干預(yù)措施，以查看打印的心臟和血管是否以相同的方式做出反應(yīng)。一些患者接受了旨在擴(kuò)大主動脈的瓣膜植入物。羅氏和她的同事們在以每位患者為模型的打印主動脈中植入了類似的瓣膜。當(dāng)他們激活打印的心臟進(jìn)行泵送時，他們觀察到植入的瓣膜產(chǎn)生了與手術(shù)植入后的實(shí)際患者相似的改善流量。

，該團(tuán)隊(duì)使用一個驅(qū)動的印刷心臟來比較不同尺寸的植入物，看看哪種植入物適合和流動——他們設(shè)想臨床醫(yī)生將來可能會為他們的病人做這件事。

“患者會完成他們的成像，他們無論如何都會這樣做，我們會用它來制作這個系統(tǒng)，是在之內(nèi)，”合著者 Nguyen 說。“一旦它啟動并運(yùn)行，臨床醫(yī)生就可以測試不同類型和尺寸的瓣膜，看看哪種效果，然后用它來植入?！?/span>

終，羅氏表示，針對特定患者的復(fù)制品可以幫助開發(fā)和確定針對具有獨(dú)特且具有挑戰(zhàn)性的心臟幾何結(jié)構(gòu)的個人的理想方法。

“針對廣泛的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行包容性設(shè)計(jì)，并測試該范圍內(nèi)的干預(yù)措施，可能會增加微創(chuàng)手術(shù)的可尋址目標(biāo)人群，”羅氏說。

這項(xiàng)研究得到了美國科學(xué)基金會、美國國立衛(wèi)生研究院和美國心肺血液研究所的部分支持。