墨水直寫3D打印：制造具有真實機械特性的主動脈模型

導讀：增材制造(AM)可用于生產(chǎn)人工主動脈模型，用于主動脈瓣置換(TAVR)手術(shù)的培訓或研究。通過增材制造，模型可以根據(jù)患者的主動脈解剖結(jié)構(gòu)進行個性化定制。到目前為止，現(xiàn)有的模型大多是使用單一的橡膠類材料制造的。這種材料不能復制天然主動脈組織的機械特性，特別是在高應變（>0.1）區(qū)域的應力-應變反應。使用不能真實反應主動脈特性的模型進行手術(shù)訓練對于外科醫(yī)生來說存在一定的問題。

2022年5月，南極熊獲悉，KTH皇家理工學院材料科學與工程系、蘇黎世聯(lián)邦理工學院機械與工藝工程系復合材料與適應性結(jié)構(gòu)實驗室的研究者開發(fā)了一個3D打印的具有真實機械特性的主動脈模型，材料包括明膠纖維和硅膠。該模型有望成為模擬TAVR手術(shù)的主動脈的真實模擬物。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在《 Materials Letters》上。


研究人員事先用醫(yī)學影像學分析了計算機斷層掃描數(shù)據(jù)，以確定特定病人的主動脈竇和周圍血管的解剖結(jié)構(gòu)。所設計的新型硅膠基質(zhì)復合材料用明膠纖維增強，與主動脈組織的應力應變反應進行了測試和比較。結(jié)果表明這樣的模型不僅能反應患者的真實的動脈結(jié)構(gòu)，也具有主動脈組織的特性，對開發(fā)下一代醫(yī)學模型很有幫助。



△研究過程示意圖

研究過程可以簡短的概括為：從計算機斷層掃描數(shù)據(jù)中提取患者的特定幾何形狀，進行主動脈模型的制造。利用DIW制造了硅膠復制品。隨后，生產(chǎn)明膠纖維并將其包裹在硅膠模型上，以模擬天然主動脈組織的典型應力-應變行為。


△針對明膠纖維生產(chǎn)開發(fā)的實驗室裝置，包括長絲卷繞器、含有明膠溶液的筒狀物、加熱槍和壓力控制器。


△（a) 三維打印的硅膠主動脈模型 (b) 后處理后的GFRS主動脈模型 (c) 用明膠纖維加固的打印硅膠模型 (d)材料的拉伸試驗結(jié)果與其他報告的高應變區(qū)的數(shù)值（Vf=纖維的體積分數(shù)）

總結(jié)
研究人員使用單向明膠纖維增強的硅膠復合材料成功地制造了一個具有機械代表性的3D打印主動脈模型。明膠纖維以不同體積分數(shù)沉積在打印的硅膠模型內(nèi)，可以反應主動脈組織中真實的應力-應變情況。這將使該模型成為TAVR的有效手術(shù)培訓工具，因為主動脈中的不同結(jié)構(gòu)的機械情況更符合實際情況。


更多內(nèi)容請下載原文查看： https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132396