生物3D打印技術(shù)模擬肺動(dòng)脈狹窄體研究平臺(tái)
本研究開發(fā)了患者特異性 3D 生物打印模型，用于法洛四聯(lián)癥合并肺動(dòng)脈閉鎖及主肺動(dòng)脈側(cè)支動(dòng)脈（MAPCAs）的體外分析和治療規(guī)劃。研究基于患者的計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）或 3D 旋轉(zhuǎn)血管造影數(shù)據(jù)，生成血管的數(shù)字 3D 模型，隨后使用生物相容性樹脂進(jìn)行 3D 打印，或用20% 明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝膠進(jìn)行生物打印，模擬新生兒或青少年患者的血管結(jié)構(gòu)。通過(guò)該模型模擬了經(jīng)導(dǎo)管介入術(shù)建立閉鎖肺動(dòng)脈與側(cè)支動(dòng)脈的腔外連接，結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD） 分析血流情況，成功展示了在閉鎖血管中建立血流的新技術(shù)。該模型為復(fù)雜心血管疾病的治療開發(fā)、手術(shù)培訓(xùn)及疾病建模提供了功能性平臺(tái)。
思維導(dǎo)圖：
1. 研究背景
開發(fā)基于患者數(shù)據(jù)的體外肺動(dòng)脈狹窄模型，作為心血管疾病的體外模擬體，用于：
4. 研究結(jié)果
關(guān)鍵問(wèn)題：
問(wèn)題：研究中 3D 生物打印模型使用的核心材料是什么？其特性如何支持模型功能？
答案：核心材料是 20% 明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝膠。其特性包括：① 生物相容性，可支持細(xì)胞附著與功能；② 物理特性接近天然軟組織（剛度匹配血管壁）；③ 可通過(guò) UV 交聯(lián)固化，便于塑形；④ 允許灌注，能模擬血管內(nèi)血流，支持介入手術(shù)模擬（如支架植入和造影觀察）。
問(wèn)題：該 3D 打印模型與傳統(tǒng)動(dòng)物模型或 2D 模型相比，在研究復(fù)雜心血管疾病時(shí)有何優(yōu)勢(shì)？
答案：① 個(gè)體化：基于患者影像數(shù)據(jù)構(gòu)建，能反映個(gè)體血管解剖差異，解決 “一刀切” 治療難題；② 可控性：避免動(dòng)物模型的遺傳 / 環(huán)境變異，體外環(huán)境可精確調(diào)控；③ 功能性：可模擬血流灌注，結(jié)合 CFD 分析血流動(dòng)力學(xué)，優(yōu)于 2D 模型的靜態(tài)展示；④ 實(shí)用性：可重復(fù)用于手術(shù)培訓(xùn)和新技術(shù)測(cè)試，減少對(duì)患者和動(dòng)物的依賴。
問(wèn)題：為推動(dòng)該技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化，未來(lái)研究需解決哪些關(guān)鍵問(wèn)題？
答案：① 生物模型優(yōu)化：提高生物打印模型的細(xì)胞存活率、長(zhǎng)期灌注能力，解決營(yíng)養(yǎng) / 氧氣擴(kuò)散問(wèn)題；② 材料改進(jìn)：開發(fā)可降解、功能性導(dǎo)管材料，減少吻合后狹窄風(fēng)險(xiǎn)；③ 技術(shù)簡(jiǎn)化：簡(jiǎn)化 3D 模型生成流程，降低對(duì)專業(yè)技能的依賴，縮短制備時(shí)間（目前需 2-3 天）；④ CFD 完善：納入血管壁彈性、復(fù)雜分支等參數(shù)，提升血流模擬的真實(shí)性；⑤ 體內(nèi)驗(yàn)證：開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的臨床相關(guān)性，評(píng)估長(zhǎng)期安全性和有效性。
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思維導(dǎo)圖：
1. 研究背景
- 疾病特性：法洛四聯(lián)癥合并肺動(dòng)脈閉鎖及主肺動(dòng)脈側(cè)支動(dòng)脈（MAPCAs）是一種罕見先天性心臟病，肺動(dòng)脈（PA）狹窄復(fù)雜，側(cè)支動(dòng)脈的起源、數(shù)量、大小存在顯著個(gè)體差異。
- 治療挑戰(zhàn)：現(xiàn)有治療以單源化手術(shù)（側(cè)支動(dòng)脈吻合）為主，但術(shù)后遠(yuǎn)端狹窄常見，需多次干預(yù)；需維持肺部均等低壓以避免右心室高壓，傳統(tǒng)模型難以滿足個(gè)體化治療需求。
開發(fā)基于患者數(shù)據(jù)的體外肺動(dòng)脈狹窄模型，作為心血管疾病的體外模擬體，用于：
- 培訓(xùn)術(shù)者及手術(shù)團(tuán)隊(duì)
- 開發(fā)新型治療方法
- 探索潛在干預(yù)措施
| 步驟 | 關(guān)鍵細(xì)節(jié) |
| 患者數(shù)據(jù)獲取 | - 新生兒（3 天）：計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT） - 青少年（14 歲）：3D 旋轉(zhuǎn)血管造影（XA），結(jié)合屏氣和心臟起搏減少偽影 |
| 數(shù)字 3D 模型生成 | - 從影像中提取血管信息，用 Autodesk Meshmixer 軟件構(gòu)建空心模型（1mm 壁厚，可灌注） - 生成立體光刻文件，保留血管網(wǎng)絡(luò)及管腔結(jié)構(gòu) |
| 3D 打印（合成模型） | - 設(shè)備：Form 2 立體光刻打印機(jī)（Formlabs） - 材料：Flexible Resin（柔韌性）、Clear Resin（高分辨率、透明，便于觀察血流）、Elastic Resin（高彈性，遠(yuǎn)端分辨率較低） - 后處理：3 次異丙醇清洗（各 20 分鐘）→ 干燥 → UV 固化 20 分鐘 - 周期：2-3 天 |
| 生物打�。℅elMA 模型） | - 材料：20% GelMA 水凝膠（含 0.5% 光引發(fā)劑 Irgacure） - 制作：鑄造（直接注入 3D 打印外殼）或生物打印機(jī)（CELLINK Bio X）打印 → UV 交聯(lián) 10 分鐘 → 組裝外殼（含入口 / 出口連接器） - 結(jié)構(gòu)：模擬閉鎖血管（17.5mm 長(zhǎng)，2mm 直徑）和開放血管（25mm 長(zhǎng)，2mm 直徑） |
| 介入手術(shù)模擬 | - 步驟：鞘管進(jìn)入開放血管 → 熒光透視下用導(dǎo)絲和微導(dǎo)管穿刺閉鎖血管 → 置入 3.5mm 支架 → 造影驗(yàn)證血流 - 場(chǎng)景：先在工作臺(tái)優(yōu)化，再在心臟導(dǎo)管室模擬臨床環(huán)境 |
| 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析 | - 模型：基于再通血管的 CAD 模型，網(wǎng)格含 200k 元素 - 參數(shù)：入口脈動(dòng)流速（16-25mm/s，模擬新生兒肺動(dòng)脈）、出口壓 5mmHg、血液流變學(xué)特性（Carreau 模型）、剛性血管壁（無(wú)滑移條件） - 分析：血流速度、壁面剪應(yīng)力、再循環(huán)區(qū)域 |
4. 研究結(jié)果
- 模型準(zhǔn)確性：3D 打印模型與患者血管影像高度一致，能再現(xiàn)血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖 1）；造影驗(yàn)證顯示模型可清晰顯示血流（圖 1G、1H）。
- 介入成功：通過(guò)模擬手術(shù)成功建立閉鎖血管與側(cè)支動(dòng)脈的連接，支架植入后血流恢復(fù)（圖 2E），重復(fù) 3 次均成功。
- CFD 結(jié)果：預(yù)測(cè)峰值血流速度 41mm/s，收縮期減速階段在連接入口處出現(xiàn)血流再循環(huán)（圖 2F）。
- 培訓(xùn)與規(guī)劃：模型可用于模擬復(fù)雜手術(shù)（如單源化修復(fù)），幫助術(shù)者優(yōu)化操作流程。
- 新技術(shù)開發(fā)：為經(jīng)導(dǎo)管再通術(shù)等新型干預(yù)措施提供體外測(cè)試平臺(tái)，減少患者和動(dòng)物模型的變異性。
- 疾病建模：結(jié)合患者干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞等，可構(gòu)建更真實(shí)的疾病模型，用于藥物和手術(shù)評(píng)估。
- 技術(shù)挑戰(zhàn)：臨床影像分辨率有限（CT 難以區(qū)分肺動(dòng)靜脈壁）；3D 模型生成需專業(yè)技能，難以普及。
- 生物模型缺陷：生物打印模型的細(xì)胞存活、長(zhǎng)期灌注（營(yíng)養(yǎng) / 氧氣擴(kuò)散）存在挑戰(zhàn)；小直徑血管吻合易導(dǎo)致?lián)p傷。
- CFD 簡(jiǎn)化：未模擬血管壁彈性、復(fù)雜血管分支等體內(nèi)真實(shí)條件。
關(guān)鍵問(wèn)題：
問(wèn)題：研究中 3D 生物打印模型使用的核心材料是什么？其特性如何支持模型功能？
答案：核心材料是 20% 明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝膠。其特性包括：① 生物相容性，可支持細(xì)胞附著與功能；② 物理特性接近天然軟組織（剛度匹配血管壁）；③ 可通過(guò) UV 交聯(lián)固化，便于塑形；④ 允許灌注，能模擬血管內(nèi)血流，支持介入手術(shù)模擬（如支架植入和造影觀察）。
問(wèn)題：該 3D 打印模型與傳統(tǒng)動(dòng)物模型或 2D 模型相比，在研究復(fù)雜心血管疾病時(shí)有何優(yōu)勢(shì)？
答案：① 個(gè)體化：基于患者影像數(shù)據(jù)構(gòu)建，能反映個(gè)體血管解剖差異，解決 “一刀切” 治療難題；② 可控性：避免動(dòng)物模型的遺傳 / 環(huán)境變異，體外環(huán)境可精確調(diào)控；③ 功能性：可模擬血流灌注，結(jié)合 CFD 分析血流動(dòng)力學(xué)，優(yōu)于 2D 模型的靜態(tài)展示；④ 實(shí)用性：可重復(fù)用于手術(shù)培訓(xùn)和新技術(shù)測(cè)試，減少對(duì)患者和動(dòng)物的依賴。
問(wèn)題：為推動(dòng)該技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化，未來(lái)研究需解決哪些關(guān)鍵問(wèn)題？
答案：① 生物模型優(yōu)化：提高生物打印模型的細(xì)胞存活率、長(zhǎng)期灌注能力，解決營(yíng)養(yǎng) / 氧氣擴(kuò)散問(wèn)題；② 材料改進(jìn)：開發(fā)可降解、功能性導(dǎo)管材料，減少吻合后狹窄風(fēng)險(xiǎn)；③ 技術(shù)簡(jiǎn)化：簡(jiǎn)化 3D 模型生成流程，降低對(duì)專業(yè)技能的依賴，縮短制備時(shí)間（目前需 2-3 天）；④ CFD 完善：納入血管壁彈性、復(fù)雜分支等參數(shù)，提升血流模擬的真實(shí)性；⑤ 體內(nèi)驗(yàn)證：開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的臨床相關(guān)性，評(píng)估長(zhǎng)期安全性和有效性。
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