哈佛大學(xué)研究人員開發(fā) 3D 打印合成心臟瓣膜，可伴隨兒童一起成長

導(dǎo)讀：風(fēng)濕熱可能會損害兒童的心臟瓣膜，從而導(dǎo)致風(fēng)濕性心臟病并導(dǎo)致更嚴重的健康問題，例如中風(fēng)和心力衰竭。通過手術(shù)修復(fù)心臟瓣膜是可能的，但當(dāng)你面對的是身體仍在生長的兒童時，這就變得更加困難。有時，需要進行多次侵入性手術(shù)才能用更大的瓣膜替換瓣膜，而生產(chǎn)人造心臟瓣膜的過程成本高昂且漫長。但哈佛大學(xué)的研究人員正在努力通過3D 打印合成心臟瓣膜來解決這個問題，這種新型瓣膜旨在與年輕患者一起生長，從而避免再進行額外的手術(shù)。

2023年7月3日，南極熊獲悉，由凱文·基特·帕克博士領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所和約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 ( SEAS ) 的一個團隊正在致力于創(chuàng)造這種革命性的兒科心臟瓣膜。它被稱為FibraValve，可以在短短 10 分鐘內(nèi)通過稱為PLCL 的聚己內(nèi)酯 (PCL) 和聚乳酸 (PLA) 的定制組合，使用稱為聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡絲 (FRJS)的新方法進行 3D 打印。該技術(shù)允許將閥門的形狀和性能定制至納米級。

△FibraValve 和 FRJ 的圖示出現(xiàn)在Matter的封面上。圖片來源：哈佛大學(xué)維斯研究所

正如他們在最近發(fā)表在《Matter》期刊上的一篇題為“On-demand heart valve manufacturing using focused rotary jetspinning”的論文中所解釋的那樣，3D 打印的瓣膜在體外很容易被活細胞“殖民”。最終的大型動物模型研究由 Wyss蘇黎世轉(zhuǎn)化中心的合作者完成，并由 Wyss 副教員 SimonHoerstrup 博士領(lǐng)導(dǎo)。

相關(guān)論文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00243-6

△圖片摘要

研究人員在論文中寫道：“不幸的是，目前的心臟瓣膜置換術(shù)并不能與孩子一起成長，因此需要在兒科患者的一生中重復(fù)進行高風(fēng)險手術(shù)。FibraValves 采用可生物降解的聚合物纖維制造，允許患者的細胞附著和重塑植入的支架，最終構(gòu)建一個可以與孩子一起成長并終生生活的原生瓣膜，”。

Parker 和 Hoerstrup 近十年來一直致力于開發(fā)有生命的、可生長的心臟瓣膜，并于 2017 年生產(chǎn)了他們的第一個合成心臟瓣膜 JetValve。它是使用早期版本的 FRJS 制造的，其中生物相容性合成聚合物通過噴嘴并紡成長納米纖維，這些纖維收集在閥門形狀的心軸上，以快速生產(chǎn)生物相容性閥門。兩人成功地將他們的 JetValve 植入綿羊的心臟，它在那里正常工作并聚集活細胞來再生新組織，但他們知道他們可以改進最初的設(shè)計。

對于新的 FibraValve，研究團隊設(shè)計了一個閥形框架，并使用 FRJS 添加了空氣噴射流，使框架充滿液體聚合物。這使得可以輕松調(diào)整最終形狀，并提高纖維沉積到心軸上的速率。結(jié)果是一種合成的 3D 打印設(shè)備，具有網(wǎng)狀納米纖維網(wǎng)絡(luò)，可以讓細胞滲透和生長。

該研究的資深作者、哈佛大學(xué)生物工程教授 Parker解釋道： “細胞在納米尺度上運作，3D 打印無法達到這個水平，但集中旋轉(zhuǎn)噴射紡絲可以在其中放置納米尺度的空間線索。這樣，當(dāng)細胞爬進支架時，它們感覺就像在心臟瓣膜中，而不是合成支架中�！�

△FibraValve 由聚合物纖維長絲組成，復(fù)制了人類心臟瓣膜的物理特性，并且具有足夠的多孔性，可以讓細胞滲透并用活組織替換支架。圖片來源：哈佛大學(xué)維斯研究所

此外，該團隊定制的 PLCL 聚合物材料不僅可以改善 FibraValve 進入體內(nèi)后活細胞的滲透，而且還可以生物降解。FibraValve比其前身更具彈性，并且還允許細胞在整個支架上更均勻地分布。該團隊還優(yōu)化了瓣膜內(nèi)部“小葉”的形狀，以減少通過瓣膜漏回的血液量。通過所有這些改進，F(xiàn)ibraValve 實際上可以自我重塑，這就是為什么它對于心臟仍在生長的兒科心臟瓣膜疾病患者非常有用。另外，打印一個只需要幾分鐘，因此它已經(jīng)準(zhǔn)備好被活細胞定殖。

Parker說：“這項研究說明了FibraValves 作為患有瓣膜疾病的兒童的解決方案的潛力。我們的目標(biāo)是讓患者的原生細胞使用該設(shè)備作為藍圖來再生自己的活瓣膜組織，但 FRJS 也有潛力作為未來制造其他醫(yī)療設(shè)備的平臺�！�

△聚合物和聚焦空氣射流被迫通過紡絲裝置，聚合物纖維聚集在閥形心軸上形成 FibraValve。圖片來源：哈佛大學(xué)維斯研究所

蘇黎世的 Hoerstrup 團隊將3D 打印的 FibraValve 植入活羊的心臟中，它立即開始發(fā)揮作用，小葉打開和關(guān)閉，以實現(xiàn)每次心跳時血流的調(diào)節(jié)。一小時后，研究人員觀察到稱為纖維蛋白的蛋白質(zhì)沉積在瓣膜外部，紅細胞和白細胞滲透到其多孔支架中，沒有發(fā)現(xiàn)副作用、血栓形成或任何其他問題的跡象�，F(xiàn)在，該團隊期待在長期動物測試中評估 FibraValve 的性能和再生能力。

Hoerstrup 說：“從臨床角度來看，F(xiàn)ibraValve 的這些首次體內(nèi)測試結(jié)果很有希望，并激勵我們啟動進一步的臨床前評估。”

研究人員相信，他們的 3D 打印心臟瓣膜置換方法最終可能會應(yīng)用到更多定制化的植入式醫(yī)療設(shè)備中，例如血管、其他瓣膜和心臟補片。