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【醫療科技】3D打印心瓣膜 兒童減手術風險

10:00 2023/03/04

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人造瓣膜的支架嵌入了一種模仿人體心臟瓣膜的彈性蛋白材料,提供比支架孔隙更小的微孔,給新細胞充足空間進行成長,同時讓血液能正常流動。(TUM提供圖片)

心臟瓣膜病變會導致血液逆流,引發心肌肥大、心室擴張等問題。植入人造心臟瓣膜是常見的治療方法,但由於兒童的心臟結構會隨成長而改變,需定期進行手術更換人造瓣膜。

為減低進行多次手術的痛苦和風險,有大學研究團隊透過「熔融電鑄技術」(Melt Electro-writing)來3D打印人造心臟瓣膜,協助兒童患者康復。

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心臟瓣膜可控制血液流動的方向,確保心臟血液方向正確,不會出現逆流。人類心臟共有4塊瓣膜,二尖瓣和三尖瓣可避免流進心室的血液回流心房,而主動脈瓣和肺動脈瓣則可避免血液回流至心室。

心臟瓣膜能夠正常開關是相當重要,但當瓣膜發生病變時,就會出現瓣膜變窄或閉鎖不全現象,影響心臟血液的正常流動,結果會引致心臟功能異常,令患者出現呼吸困難、胸痛和心律不整等症狀,嚴重甚至會心臟衰竭。

同一支架 微調不同機械性能

透過修補瓣膜或直接更換人造瓣膜,雖有效改善病情,但對處於成長階段的兒童和青少年患者來說,就需進行定期手術更換人造瓣膜,以適應成長中的心臟結構。由於心臟大小會隨成長而改變,人造瓣膜也需重新設計,以適應改變中的血壓和血液流動量。

德國慕尼黑工業大學(TUM)醫學材料教授Petra Mela指出:「人體的心臟瓣膜屬於異質性(Heterogeneous),能夠運用不同的生物力學特性來進行開關,確保血液流向正確方向。」她想到,如能製造出一種同樣具有異質性的人造瓣膜,就能解決需進行定期更換瓣膜手術的問題。

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Petra Mela聯同西澳洲大學(UWA)的Elena De-Juan Pardo教授組職團隊,研究以熔融電鑄技術,3D打印出具有異質性的人造瓣膜。該技術可為人造瓣膜打印精確的訂製圖案及組合,能夠在同一支架內微調不同機械性能,模仿人體瓣膜,適應不同的生物力學特性。

生物降解前 形成新細胞組織

熔融電鑄屬於新型增材製造技術(Additive Manufacturing),透過高壓電將聚合物加熱、熔化,並以液體噴射的形式進行打印,形成5至50微米薄的聚合物纖維。

為減少人造瓣膜複雜結構的編程工作,研究人員開發了一套軟件,能從圖案庫中選擇不同圖案,將不同的圖案分配至支架中的不同區域。此外,支架的長度、直徑和厚度等幾何規格,都可通過圖形介面輕鬆調整。

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Petra Mela表示,該技術採用醫療級別的聚己內酯(PCL)進行3D打印,因為它是與細胞兼容且可生物降解。當植入由PCL製造的人造瓣膜後,患者的細胞就會在瓣膜的支架上生長,然後在支架降解前,形成新的細胞組織,成為真正的人體瓣膜。

記者:陳卓賢

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