ماکت‌های قلب سفارشی و چاپ‌شده با چاپ سه‌بعدی دقیقاً شبیه به چیز واقعی هستند

هیچ دو قلب یکسان نمی تپد. اندازه و شکل قلب می تواند از فردی به فرد دیگر متفاوت باشد. این تفاوت ها می تواند به ویژه برای افرادی که با بیماری قلبی زندگی می کنند مشخص شود، زیرا قلب و رگ های اصلی آنها برای غلبه بر هرگونه عملکرد به خطر افتاده سخت تر کار می کنند.

مهندسان MIT امیدوارند با استفاده از یک قلب روباتیک سفارشی به پزشکان کمک کنند تا درمان‌ها را بر اساس شکل و عملکرد قلب خاص بیماران انجام دهند. این تیم روشی را برای پرینت سه بعدی یک ماکت نرم و انعطاف پذیر از قلب بیمار توسعه داده اند. سپس می توانند عمل ماکت را برای تقلید از توانایی پمپاژ خون بیمار کنترل کنند.

این روش ابتدا شامل تبدیل تصاویر پزشکی از قلب بیمار به یک مدل کامپیوتری سه بعدی است که محققان می توانند با استفاده از جوهر مبتنی بر پلیمر آن را به صورت سه بعدی پرینت کنند. نتیجه یک پوسته نرم و انعطاف پذیر به شکل دقیق قلب خود بیمار است. این تیم همچنین می‌تواند از این روش برای چاپ آئورت بیمار – شریان اصلی که خون را از قلب به بقیه بدن می‌برد، استفاده کند.

برای تقلید از عمل پمپاژ قلب، این تیم آستین هایی شبیه به کاف های فشار خون ساخته اند که دور قلب چاپ شده و آئورت می پیچند. قسمت زیرین هر آستین شبیه روکش حباب دار طرح دار دقیق است. هنگامی که آستین به یک سیستم پنوماتیک متصل می شود، محققان می توانند هوای خروجی را تنظیم کنند تا به طور ریتمیک حباب های آستین را باد کرده و قلب را منقبض کند و از عمل پمپاژ آن تقلید کند.

محققان همچنین می توانند یک آستین مجزا را در اطراف آئورت چاپ شده باد کنند تا رگ را منقبض کنند. آنها می گویند که این انقباض را می توان برای تقلید تنگی آئورت تنظیم کرد – وضعیتی که در آن دریچه آئورت باریک می شود و باعث می شود قلب سخت تر کار کند تا خون را از طریق بدن وارد کند.

پزشکان معمولاً تنگی آئورت را با کاشت یک دریچه مصنوعی که برای گشاد کردن دریچه طبیعی آئورت طراحی شده است، درمان می‌کنند. در آینده، این تیم می‌گوید که پزشکان می‌توانند به طور بالقوه از روش جدید خود برای چاپ قلب و آئورت بیمار استفاده کنند، سپس انواع دریچه‌ها را در مدل چاپ شده کاشت کنند تا ببینند کدام طرح بهترین عملکرد و تناسب را برای آن بیمار خاص دارد. ماکت‌های قلب همچنین می‌توانند توسط آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و صنعت تجهیزات پزشکی به‌عنوان پلتفرم‌های واقعی برای آزمایش درمان‌های انواع مختلف بیماری‌های قلبی مورد استفاده قرار گیرند.

لوکا روزالیا، دانشجوی کارشناسی ارشد در برنامه MIT-Harvard در علوم و فناوری بهداشت، می گوید: «همه قلب ها متفاوت هستند. “تغییرات گسترده ای وجود دارد، به خصوص زمانی که بیماران بیمار هستند. مزیت سیستم ما این است که می توانیم نه تنها شکل قلب بیمار، بلکه عملکرد آن را هم در فیزیولوژی و هم در بیماری بازسازی کنیم.”

روزالیا و همکارانش نتایج خود را در مطالعه‌ای که امروز در سال جاری منتشر شد، گزارش کردند علم رباتیک. نویسندگان MIT شامل کاگلار اوزتورک، دبکالپا گوسوامی، ژان بونمین، سوفی وانگ و الن روش، به همراه بنجامین بونر از بیمارستان عمومی ماساچوست، جیمز ویور از دانشگاه هاروارد، و کریستوفر نگوین، ریشی پوری و سمیر کاپادیا در کلینیک کلیولند هستند. در اوهایو

پرینت و پمپ

در ژانویه 2020، اعضای تیم به رهبری پروفسور مهندسی مکانیک الن روش، یک «قلب هیبریدی بیوروباتیک» را توسعه دادند – یک کپی کلی از یک قلب، ساخته شده از ماهیچه مصنوعی حاوی استوانه‌های کوچک و قابل باد کردن، که می‌توانستند آن را برای تقلید انقباضات یک قلب کنترل کنند. قلب تپنده واقعی

مدت کوتاهی پس از آن تلاش‌ها، همه‌گیری COVID-19 آزمایشگاه Roche را به همراه بسیاری دیگر در محوطه دانشگاه مجبور به تعطیلی موقت کرد. روزالیا که دلسرد نشده بود، به تغییر طراحی قلب در خانه ادامه داد.

روزالیا به یاد می آورد: «من در ماه مارس کل سیستم را در اتاق خوابگاهم بازسازی کردم.

ماه‌ها بعد، آزمایشگاه دوباره باز شد و تیم از همان جایی که متوقف شد، کار را برای بهبود کنترل آستین پمپ‌کننده قلب، که در مدل‌های حیوانی و محاسباتی آزمایش کردند، ادامه داد. آنها سپس رویکرد خود را گسترش دادند تا آستین ها و ماکت های قلب را که مخصوص بیماران خاص است، بسازند. برای این کار به پرینت سه بعدی روی آوردند.

وانگ که یک متخصص جراحی عروق در مرکز پزشکی Beth Israel Deaconess در بوستون است، می‌گوید: «علاقه زیادی در زمینه پزشکی به استفاده از فناوری چاپ سه بعدی برای بازسازی دقیق آناتومی بیمار برای استفاده در برنامه‌ریزی و آموزش قبل از عمل وجود دارد.

یک طراحی فراگیر

در مطالعه جدید، این تیم از پرینت سه بعدی برای تولید کپی سفارشی از قلب بیماران واقعی استفاده کرد. آنها از جوهر مبتنی بر پلیمر استفاده کردند که پس از چاپ و پخت، می تواند فشرده شود و کشیده شود، مشابه قلب تپنده واقعی.

محققان به عنوان منبع خود، از اسکن پزشکی 15 بیمار مبتلا به تنگی آئورت استفاده کردند. این تیم تصاویر هر بیمار را به یک مدل کامپیوتری سه بعدی از بطن چپ بیمار (محفظه پمپاژ اصلی قلب) و آئورت تبدیل کردند. آنها این مدل را به یک چاپگر سه بعدی وارد کردند تا پوسته نرم و دقیقی از بطن و رگ ایجاد کنند.

این تیم همچنین آستین‌هایی ساختند تا دور فرم‌های چاپی بپیچند. آن‌ها جیب‌های هر آستین را به گونه‌ای طراحی می‌کردند که وقتی به دور قالب‌های مربوطه پیچیده می‌شد و به یک سیستم پمپ هوای کوچک متصل می‌شد، آستین‌ها را می‌توان به طور جداگانه تنظیم کرد تا مدل‌های چاپ شده را به‌طور واقعی منقبض و منقبض کند.

محققان نشان دادند که برای هر مدل قلب، آنها می توانند فشارها و جریان های پمپاژ قلب مشابهی را که قبلاً در هر بیمار مربوطه اندازه گیری شده بود، دوباره ایجاد کنند.

روشه می‌گوید: «تطابق با جریان‌ها و فشارهای بیماران بسیار دلگرم‌کننده بود. “ما نه تنها آناتومی قلب را چاپ می کنیم، بلکه مکانیک و فیزیولوژی آن را نیز تکرار می کنیم. این بخشی است که ما در مورد آن هیجان زده می شویم.”

یک قدم فراتر رفتیم، این تیم قصد داشت برخی از مداخلاتی را که تعداد انگشت شماری از بیماران انجام داده بودند تکرار کند تا ببیند آیا قلب و رگ چاپ شده به همان شیوه پاسخ می دهند یا خیر. برخی از بیماران ایمپلنت های دریچه ای دریافت کرده بودند که برای گشاد کردن آئورت طراحی شده بودند. روش و همکارانش دریچه‌های مشابهی را در آئورت‌های چاپی که پس از هر بیمار مدل‌سازی شده بودند، کاشتند. هنگامی که آنها قلب چاپ شده را برای پمپاژ کردن فعال کردند، مشاهده کردند که دریچه کاشته شده جریان های بهبود یافته ای مشابه در بیماران واقعی پس از ایمپلنت های جراحی ایجاد می کند.

در نهایت، تیم از یک قلب چاپ‌شده برای مقایسه ایمپلنت‌هایی با اندازه‌های مختلف استفاده کردند تا ببینند کدام یک بهترین تناسب و جریان را به دست می‌آورد – کاری که آنها تصور می‌کنند پزشکان می‌توانند به طور بالقوه برای بیماران خود در آینده انجام دهند.

Nyugen یکی از نویسندگان این مقاله می گوید: «بیماران تصویربرداری خود را انجام می دهند، که به هر حال انجام می دهند، و ما از آن برای ساختن این سیستم، به طور ایده آل در یک روز استفاده می کنیم. پس از راه‌اندازی، پزشکان می‌توانند انواع و اندازه‌های مختلف دریچه را آزمایش کنند و ببینند کدام دریچه بهتر عمل می‌کند، سپس از آن برای کاشت استفاده کنند.

در نهایت، Roche می‌گوید کپی‌های خاص بیمار می‌توانند به توسعه و شناسایی درمان‌های ایده‌آل برای افرادی با هندسه‌های منحصر به فرد و چالش برانگیز قلبی کمک کنند.

روشه می گوید: «طراحی فراگیر برای طیف وسیعی از آناتومی ها، و آزمایش مداخلات در این محدوده، ممکن است جمعیت هدف قابل آدرس دهی را برای روش های کم تهاجمی افزایش دهد.