3D 프린팅된 맞춤형 심장 복제본은 실제처럼 보이고 펌핑됩니다.

[아름이]

3D 프린팅된 맞춤형 심장 복제본은 실제처럼 보이고 펌핑됩니다.
소프트 로봇 모델은 환자별로 다르며 임상의가 개인에게 가장 적합한 임플란트에 집중하는 데 도움이 될 수 있습니다.
날짜:
2023년 2월 22일
원천:
매사추세츠 공과대학
요약:
엔지니어들은 환자 심장의 부드럽고 유연한 복제본을 3D로 인쇄하는 절차를 개발했습니다. 이러한 모델은 의사가 대동맥 판막과 같은 치료를 개별 환자에게 맞춤화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

전체 이야기
두 심장이 똑같이 뛰지 않습니다. 심장의 크기와 모양은 사람마다 다를 수 있습니다. 심장과 주요 혈관이 손상된 기능을 극복하기 위해 더 열심히 일하기 때문에 이러한 차이는 심장병을 앓고 있는 사람들에게 특히 두드러질 수 있습니다.

MIT 엔지니어들은 의사들이 맞춤형 로봇 심장으로 환자의 특정 심장 형태와 기능에 맞는 치료를 할 수 있도록 돕기를 희망하고 있습니다. 이 팀은 부드럽고 유연한 환자 심장 복제본을 3D 프린팅하는 절차를 개발했습니다. 그런 다음 복제품의 동작을 제어하여 해당 환자의 혈액 펌핑 능력을 모방할 수 있습니다.

이 절차에는 먼저 환자 심장의 의료 이미지를 3차원 컴퓨터 모델로 변환한 다음 연구원이 폴리머 기반 잉크를 사용하여 3D 인쇄할 수 있습니다. 그 결과 환자 자신의 심장 모양과 정확히 일치하는 부드럽고 유연한 껍질이 만들어집니다. 팀은 또한 이 접근 방식을 사용하여 환자의 대동맥(심장에서 신체의 나머지 부분으로 혈액을 운반하는 주요 동맥)을 인쇄할 수 있습니다.

심장의 펌핑 작용을 모방하기 위해 팀은 인쇄된 심장과 대동맥을 감싸는 혈압 커프와 유사한 소매를 제작했습니다. 각 소매의 밑면은 정밀하게 무늬가 있는 버블 랩과 유사합니다. 슬리브가 공압 시스템에 연결되면 연구자들은 유출되는 공기를 조정하여 슬리브의 기포를 리드미컬하게 부풀리고 심장을 수축시켜 펌핑 동작을 모방할 수 있습니다.

연구자들은 또한 인쇄된 대동맥을 둘러싼 별도의 슬리브를 팽창시켜 혈관을 수축시킬 수 있습니다. 이 수축은 대동맥 판막이 좁아지는 상태인 대동맥 협착증을 모방하도록 조정될 수 있다고 그들은 말합니다.

의사는 일반적으로 대동맥의 자연 판막을 넓히도록 설계된 합성 판막을 외과적으로 이식하여 대동맥 협착증을 치료합니다. 앞으로 팀은 의사들이 잠재적으로 새로운 절차를 사용하여 먼저 환자의 심장과 대동맥을 인쇄한 다음 인쇄된 모델에 다양한 판막을 이식하여 어떤 디자인이 특정 환자에게 최상의 기능과 적합성을 가져오는지 확인할 수 있다고 말합니다. 심장 복제본은 다양한 유형의 심장 질환에 대한 치료법을 테스트하기 위한 현실적인 플랫폼으로 연구소 및 의료 기기 산업에서 사용될 수도 있습니다.

"모든 마음은 다릅니다."라고 MIT-Harvard 프로그램의 건강 과학 및 기술 대학원생인 Luca Rosalia는 말합니다. "특히 환자가 아플 때 엄청난 변화가 있습니다. 우리 시스템의 장점은 환자의 심장 형태뿐만 아니라 생리학 및 질병 모두에서 그 기능을 재현할 수 있다는 것입니다."

Rosalia와 그의 동료들은 오늘 Science Robotics에 게재된 연구에서 그들의 결과를 보고합니다 . MIT 공동 저자로는 Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang, Ellen Roche, Massachusetts General Hospital의 Benjamin Bonner, Harvard University의 James Weaver, Cleveland Clinic의 Christopher Nguyen, Rishi Puri, Samir Kapadia 등이 있습니다. 오하이오에서.

인쇄 및 펌프

2020년 1월, 기계 공학 교수 Ellen Roche가 이끄는 팀원들은 심장의 수축을 모방하도록 제어할 수 있는 작고 팽창 가능한 실린더를 포함하는 합성 근육으로 만든 일반적인 심장 복제본인 "바이오 로봇 하이브리드 심장"을 개발했습니다. 진짜 뛰는 심장.

이러한 노력이 있은 직후, Covid-19 대유행으로 인해 Roche의 연구실은 캠퍼스에 있는 대부분의 연구실과 함께 일시적으로 폐쇄되었습니다. 단념하지 않고 Rosalia는 집에서 심장이 뛰는 디자인을 계속 수정했습니다.

"저는 그해 3월 기숙사 방에서 전체 시스템을 다시 만들었습니다."라고 Rosalia는 회상합니다.

몇 달 후 실험실이 다시 열렸고 팀은 동물 및 컴퓨터 모델에서 테스트한 심장 펌프 슬리브의 제어를 개선하기 위해 중단된 부분부터 계속 작업했습니다. 그런 다음 개별 환자에게 특정한 소매 및 심장 복제본을 개발하기 위해 접근 방식을 확장했습니다. 이를 위해 그들은 3D 프린팅에 눈을 돌렸습니다.

보스턴에 있는 Beth Israel Deaconess Medical Center의 혈관 외과 레지던트인 Wang은 "3D 프린팅 기술을 사용하여 사전 절차 계획 및 훈련에 사용하기 위해 환자의 해부학적 구조를 정확하게 재현하는 데 의료 분야에서 많은 관심이 있습니다."라고 말합니다.

포괄적인 디자인

새로운 연구에서 팀은 3D 프린팅을 활용하여 실제 환자 심장의 맞춤 복제본을 제작했습니다. 그들은 일단 인쇄되고 경화되면 실제 뛰는 심장과 유사하게 짜내고 늘릴 수 있는 폴리머 기반 잉크를 사용했습니다.

연구진은 대동맥판막 협착증 진단을 받은 환자 15명의 의료 스캔을 소스 자료로 사용했습니다. 팀은 각 환자의 이미지를 환자의 좌심실(심장의 주요 펌프실)과 대동맥의 3차원 컴퓨터 모델로 변환했습니다. 그들은 이 모델을 3D 프린터에 공급하여 심실과 혈관의 부드럽고 해부학적으로 정확한 껍질을 생성했습니다.

팀은 또한 인쇄된 양식을 감싸기 위해 소매를 제작했습니다. 그들은 각각의 형태를 감싸고 작은 공기 펌핑 시스템에 연결될 때 슬리브를 개별적으로 조정하여 인쇄된 모델을 사실적으로 수축하고 수축할 수 있도록 각 슬리브의 주머니를 맞춤화했습니다.

연구자들은 각각의 모델 심장에 대해 각각의 환자에서 이전에 측정된 동일한 심장 펌핑 압력과 흐름을 정확하게 재현할 수 있음을 보여주었습니다.

"환자의 흐름과 압력을 일치시킬 수 있다는 것은 매우 고무적이었습니다."라고 Roche는 말합니다. "우리는 심장의 해부학적 구조를 인쇄할 뿐만 아니라 그 역학과 생리학을 복제하고 있습니다. 그것이 우리가 흥분하는 부분입니다."

한 단계 더 나아가, 팀은 인쇄된 심장과 혈관이 같은 방식으로 반응하는지 확인하기 위해 소수의 환자가 겪은 개입 중 일부를 복제하는 것을 목표로 했습니다. 일부 환자는 대동맥을 넓히도록 설계된 판막 임플란트를 받았습니다. Roche와 그녀의 동료들은 각 환자를 모델로 한 인쇄된 대동맥에 유사한 판막을 이식했습니다. 그들이 인쇄된 심장을 활성화시켜 펌프를 작동시켰을 때, 그들은 이식된 판막이 수술 임플란트를 따르는 실제 환자에서와 유사하게 개선된 흐름을 생성하는 것을 관찰했습니다.

마지막으로, 팀은 작동 인쇄된 심장을 사용하여 다양한 크기의 임플란트를 비교하여 어떤 것이 가장 적합하고 흐름이 좋은지 확인했습니다. 임상의가 미래에 환자를 위해 잠재적으로 할 수 있는 일입니다.

공동 저자인 뉴겐(Nyugen)은 "환자들은 어쨌든 영상 촬영을 할 것이고 우리는 이상적으로는 하루 안에 이 시스템을 만들기 위해 그것을 사용할 것"이라고 말했다. "일단 가동되면 임상의는 다양한 판막 유형과 크기를 테스트하고 어떤 것이 가장 잘 작동하는지 확인한 다음 이식에 사용할 수 있습니다."

궁극적으로 Roche는 환자별 복제품이 독특하고 까다로운 심장 구조를 가진 개인을 위한 이상적인 치료법을 개발하고 식별하는 데 도움이 될 수 있다고 말합니다.

Roche는 "해부학의 넓은 범위에 대해 포괄적으로 설계하고 이 범위에 걸쳐 개입을 테스트하면 최소 침습 절차에 대한 대상 인구를 늘릴 수 있습니다."라고 말합니다.

이 연구는 부분적으로 국립과학재단, 국립보건원, 국립심폐혈액연구소의 지원을 받았습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/