綜述《Trends in Biotechnology》：3D打印心臟瓣膜
時間：2025-05-30 08:10 來源：EFL生物3D打印與生物制造 作者：admin 閱讀：次
心臟瓣膜疾病是現(xiàn)代重要健康負擔，目前臨床常用的機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現(xiàn)主流臨床應(yīng)用。來自西澳大學(xué)Elena M. De-Juan-Pardo團隊在《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標準評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，有望對人工心臟瓣膜的研發(fā)產(chǎn)生重大積極影響并可能實現(xiàn)完全復(fù)雜功能。
研究內(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）、總反流分數(shù)（TRF）在主動脈瓣位置的計算方法及臨床意義。結(jié)果表明，3D 打印瓣膜需滿足 ISO 標準中 EOA≥1.15 cm²、TRF≤20% 等核心指標，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，但長期耐久性仍待提升。通過匯總不同技術(shù)的材料、細胞類型及研究時間，研究了SLA、DIW、MEW等技術(shù)在TEHV和PHV中的適用場景。結(jié)果顯示，TEHV以水凝膠和可降解聚合物為主，側(cè)重細胞相容性；PHV多用硅基和聚氨酯材料，強調(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)精準控制中表現(xiàn)突出。
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)計均質(zhì)/異質(zhì)水凝膠結(jié)構(gòu)、細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)測試，流體力學(xué)指標（EOA、TRF）符合ISO標準，且含細胞的DIW瓣膜可促進細胞存活與基質(zhì)沉積。
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、脫細胞處理及仿生纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)測試表現(xiàn)優(yōu)于部分臨床瓣膜，且大鼠體內(nèi)實驗顯示支架可促進細胞浸潤與膠原沉積。
3. 3D打印心臟瓣膜與商用瓣膜的流體力學(xué)性能對比
通過對比ISO標準下的關(guān)鍵指標（EOA、TRF、TVPG），研究了3D打印瓣膜與市售機械瓣、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。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2023.11.001
研究內(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）、總反流分數(shù)（TRF）在主動脈瓣位置的計算方法及臨床意義。結(jié)果表明，3D 打印瓣膜需滿足 ISO 標準中 EOA≥1.15 cm²、TRF≤20% 等核心指標，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，但長期耐久性仍待提升。通過匯總不同技術(shù)的材料、細胞類型及研究時間，研究了SLA、DIW、MEW等技術(shù)在TEHV和PHV中的適用場景。結(jié)果顯示，TEHV以水凝膠和可降解聚合物為主，側(cè)重細胞相容性；PHV多用硅基和聚氨酯材料，強調(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)精準控制中表現(xiàn)突出。
圖1. 通過ISO 5840評估的主要水動力指標示意圖
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)計均質(zhì)/異質(zhì)水凝膠結(jié)構(gòu)、細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)測試，流體力學(xué)指標（EOA、TRF）符合ISO標準，且含細胞的DIW瓣膜可促進細胞存活與基質(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、脫細胞處理及仿生纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)測試表現(xiàn)優(yōu)于部分臨床瓣膜，且大鼠體內(nèi)實驗顯示支架可促進細胞浸潤與膠原沉積。
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)性能對比
通過對比ISO標準下的關(guān)鍵指標（EOA、TRF、TVPG），研究了3D打印瓣膜與市售機械瓣、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)性能對比
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2023.11.001
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