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3D打印制備纖維增強(qiáng)主動(dòng)脈模型

魔猴君  行業(yè)資訊   889天前

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3D打印技術(shù)因其成型自由度高、快速及個(gè)性化制造等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于臨床診斷、手術(shù)規(guī)劃、組織工程支架和假體植入物的制造等醫(yī)學(xué)研究中。近日, 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 Paolo Ermanni 團(tuán)隊(duì) 在 Materials Letters 期刊發(fā)表題為“ 3D printed mechanically representative aortic model made of gelatin fiber reinforced silicone composite ”的文章,報(bào)道了一種利用3D打印技術(shù),由明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合材料制備,具有仿生應(yīng)力應(yīng)變行為的主動(dòng)脈模型。

背景介紹

主動(dòng)脈瓣狹窄是一種常見的老年性退行性心瓣膜疾病。對(duì)嚴(yán)重主動(dòng)脈瓣狹窄患者,經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈瓣置換術(shù)(Transcatheter Aortic Valve ReplacementTAVR)是一種有效的治療手段。該技術(shù)通過股動(dòng)脈送入介入導(dǎo)管,將人工心臟瓣膜輸送至主動(dòng)脈瓣區(qū)打開,從而完成人工瓣膜置入,恢復(fù)瓣膜功能。在上述過程中,選擇具有合適幾何形狀的TAVR瓣膜對(duì)于手術(shù)治療成功具有重要意義。因此,外科醫(yī)生需要在手術(shù)前對(duì)患者主動(dòng)脈結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并為每位患者選擇尺寸合適的心臟瓣膜。

目前已有研究通過計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)脈瓣的三維重建,利用3D打印技術(shù)制造個(gè)體患者的主動(dòng)脈模型。但現(xiàn)有主動(dòng)脈模型研究大多采用單一橡膠類材料制造,這種模型僅能復(fù)現(xiàn)患者主動(dòng)脈結(jié)構(gòu),不能模擬天然主動(dòng)脈組織的典型J形應(yīng)力應(yīng)變行為。因此,無法為外科醫(yī)生提供真實(shí)反應(yīng)主動(dòng)脈特性的手術(shù)規(guī)劃模型。

在本研究中,Paolo Ermanni團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種明膠纖維增強(qiáng)的新型硅基復(fù)合材料,開發(fā)了單向明膠纖維的制備技術(shù),利用3D打印技術(shù)制備了兼具患者特定幾何形狀且主動(dòng)脈組織真實(shí)材料特性的手術(shù)規(guī)劃模型。

實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

1、患者主動(dòng)脈解剖結(jié)構(gòu)構(gòu)建

基于患者心臟的CT圖像,使用Mimics醫(yī)學(xué)圖像處理軟件,將“醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像和通信”(DIACOM)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)文件,分析匿名患者心臟的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像。使用三維可視化軟件3-matic用于處理從DIACOM 提取的幾何圖形,實(shí)現(xiàn)患者主動(dòng)脈模型的三維重建。

1. 患者主動(dòng)脈解剖結(jié)構(gòu)三維構(gòu)建

2 、 3D 打印制備主動(dòng)脈硅膠模型

硅膠墨水由Dragon Skin 30、SLO-JO緩凝劑和親水性氣相法二氧化硅混制而成,犧牲墨水選用Nivea Cream?;陔p噴頭3D打印機(jī),使用硅膠墨水打印模型結(jié)構(gòu)部分、犧牲墨水打印支撐結(jié)構(gòu)部分。每打印兩層,使用紅外燈進(jìn)行60秒的光固化。打印完成后,用純水清洗去除支撐結(jié)構(gòu)。

2. 基于雙噴頭3D打印制備主動(dòng)脈硅膠模型

3 、定向明膠纖維增強(qiáng)的復(fù)合模型制備

研究者使用下圖3中自制的明膠纖維收集裝置。將制備的明膠纖維按照一致的取向手動(dòng)分配在硅膠模型外側(cè),并進(jìn)一步將復(fù)合模型浸入硅膠墨水中,用硅膠墨水覆蓋上述明膠纖維。綜上,研究者采用3D打印硅膠模型、纏繞定向明膠纖維、浸涂硅膠外層的方法,制備“三明治”夾層結(jié)構(gòu)、明膠纖維增強(qiáng)的主動(dòng)脈復(fù)合模型。

3. 用于制備明膠纖維的自制裝置

 

4. 制備明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合模型

4 、復(fù)合模型機(jī)械性能表征

為了制備與病變主動(dòng)脈組織匹配的力學(xué)行為,對(duì)不同纖維體積分?jǐn)?shù)的明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合材料進(jìn)行了測(cè)試,并與真實(shí)人體主動(dòng)脈組織進(jìn)行比較。明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合材料的力學(xué)拉伸結(jié)果展現(xiàn)出明顯的J形應(yīng)力-應(yīng)變曲線。明膠纖維體積分?jǐn)?shù)在10%15% 之間的復(fù)合材料與本研究中所測(cè)81歲人類主動(dòng)脈組織的力學(xué)行為接近。此外,可以通過調(diào)整“三明治”夾層結(jié)構(gòu)中明膠纖維的方向來模擬不同區(qū)域的力學(xué)各向異性行為。

5. 制備明膠纖維增強(qiáng)的硅膠復(fù)合模型

結(jié)論

本研究使用硅膠為基質(zhì)材料、定向明膠纖維為增強(qiáng)相,制備了 “三明治”夾層結(jié)構(gòu)的3D打印主動(dòng)脈復(fù)合模型。通過改變沉積于復(fù)合模型中明膠纖維的比例調(diào)整模型力學(xué)特性,以模擬主動(dòng)脈組織必要的J形應(yīng)力-應(yīng)變機(jī)械響應(yīng)。在未來研究中,研究者規(guī)則進(jìn)一步改進(jìn)模型中明膠纖維的精確分配,使該模型成為TAVR手術(shù)規(guī)劃中的有效訓(xùn)練工具。

 

參考文獻(xiàn)

Kuthe S、Schlothauer ABodkhe S 等人。 明膠纖維增強(qiáng)有機(jī)硅復(fù)合材料3D打印機(jī)械代表性主動(dòng)脈模型[J]. 材料快報(bào),2022132396https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132396


來源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guoneidongtai/42459.html

   
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