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2025-07
明尼苏达大学： 硅胶3D打印心脏瓣膜模型（内含软质传感器）
美国明尼苏达大学（University of Minnesota）的研究人员在美敦力公司（Medtronic）的支持下，开发出一项突破性创新工艺，将心脏主动脉瓣和周围结构进行多材料3D打印，可模拟真实人体瓣膜的外观和触感。这些为病患特制的器官模型，内含3D打印软质传感器阵列，是使用特殊墨水和定制化3D打印工艺制成的。这样的模型可以用来模拟微创手术术前准备，有助于改善患者的预后。
该研究的具体文章发表在 Science Advances 杂志上，题为3D printed patient-specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications。
经导管主动脉瓣置换术（TAVR）是一种用于治疗主动脉瓣狭窄的微创手术，即通过导管输送系统将生物瓣膜植入到病患的原体瓣膜上。主动脉瓣狭窄时，瓣膜无法完全打开，从而减少或阻断从心脏流入主动脉的血流。主动脉狭窄是老年人群最常见的心血管疾病之一，在北美影响约270万75岁以上的老人。修补受损瓣膜时，TAVR手术比起开胸手术来说，创伤性更小。
研发人员专门设计并3D打印了主动脉根部模型，即主动脉离心脏最近且与心脏相连的部分，由主动脉瓣和冠脉开口组成。主动脉瓣有3个片状悬垂物，叫瓣叶，被一圈纤维环包围。该模型还包含一部分左心室肌和升主，可帮助医生做TAVR术前准备。
Michael McAlpine 是明尼苏达大学的机械工程学教授，也是这项研究的资深研究员，他表示：“我们打印这些模型的的目标是想通过提供病患专属的工具，来帮助医生了解特定病人心脏的解剖结构和力学特性，从而降低医疗风险和并发症 。医生可以在实际手术之前测试并尝试植入瓣膜，也可以借助模型来帮助病人更好地了解自己心脏的结构和后面要做的手术。”
主动脉根部模型是通过重建病人的CT扫描数据，得到准确的模型形态，再使用特殊的硅胶配方的墨水3D打印而成。硅胶配方的墨水是明尼苏达大学 Visible Heart Lab 研发的，在机械性能方面，比较符合真实心脏组织的感觉。目前市面上的商用3D打印机也可以打印出形状，但使用的墨水通常比较硬，难以匹配真实心脏组织的柔软度。
该3D打印机除了能够模拟瓣膜的软组织成分，也能模拟瓣叶上的硬质钙化。打印硬质钙化时，会使用一种墨水，类似于在建筑行业里用来修补石膏板的抹墙粉。
医生可以使用这个模型来决定瓣膜器械的尺寸和放置位置。主动脉根部模型里集成了3D打印的传感器，为医生提供压力反馈，可用来指导及优化人工瓣膜的选择的放置位置。
但是McAlpine认为这并不是这些3D打印模型的最终目的，他表示：”随着我们3D打印技术持续进步，我们会发现新的方式去集成电子元件来模拟真实器官的功能，或许这些模型本身也能用作为人工替代器官。也许以后某天这些仿生器官会和原始的器官一样好或者更好。”
关键词：
明尼苏达大学, 硅胶3D打印,3D打印,经导管主动脉瓣置换术,TAVR,仿生器官
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