哈佛再生醫學獲突破：3D打印心臟瓣膜，并有潛力擴展到血管、其他瓣膜和心臟補片
市場上大多數聚合物瓣膜材料尚未達到天然組織的性能，它們仍然會引起血栓和鈣化問題，并且在血流循環負荷下，聚合物瓣膜易失效。雖然研究人員致力于找到具有更佳性能的聚合物瓣膜材料，但制造這類人工心臟瓣膜的成本仍然非常高，針對患者的個體化特點進行定制化的制造也難以實現。盡管可能已經存在其他類型的心臟瓣膜植入物，但使用這些植入物總是伴隨著不同的并發癥。例如，機械瓣膜容易在金屬表面形成血栓，這可能導致嚴重的并發癥。除此之外，患者還必須終生使用血液稀釋藥物，以及身體活動的限制。
哈佛大學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，該瓣膜旨在與年輕患者一起成長，從而消除額外的手術。
FibraValve 由聚合物纖維長絲組成，復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。
© 哈佛大學
3D打印心臟瓣膜
© 3D科學谷白皮書
根據美敦力. 瓣膜性心臟疾病健康知識普及系列，瓣膜是心臟內部一個非常重要的結構，形狀像花瓣，而且非常的薄，它們相當于心臟中房與房之間和心室與大動脈之間的大門，只能沿著血液流動的方向開啟，保證血液順著一個方向通過心臟，防止血液逆流。正常心臟瓣膜的開放和關閉有賴于瓣膜、瓣環以及腱索和乳頭肌等結構，當心臟瓣膜出現結構或功能改變時，血液無法順利排出，或者排出去的血液逆流回來,而使心臟負荷加重, 就會引發瓣膜性心臟病。
一起成長的瓣膜
人工心臟瓣膜分為機械瓣膜、生物瓣膜，以及組織工程瓣膜，但無論哪種技術都存在尚未完善之處，所以對理想心臟瓣膜材料的研究還在繼續。
兒童的心臟瓣膜可能會因風濕熱而受損，從而導致風濕性心臟病，并導致更嚴重的健康問題，例如中風和心力衰竭。 通過手術修復心臟瓣膜是可能的，但當你面對的是身體仍在生長的兒童時，這會變得更加困難。 有時，需要進行多次侵入性手術才能用更大的瓣膜替換瓣膜，而生產人造心臟瓣膜的過程成本高昂且漫長。
在人工心臟瓣膜領域，研究者的主要是圍繞著提高材料的抗血凝性以及提高人工心臟瓣膜的壽命這兩個目標。根據3D科學谷的市場研究，此前，蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊提出一種多功能、多材料3D打印技術制造的有機硅心臟瓣膜，通過仿生的特殊設計來實現瓣葉的定制，并通過設計對整個小葉的應力分布進行控制，從而潛在的增加人工瓣膜的壽命。
哈佛大學維斯生物工程研究所和約翰·A·保爾森工程與應用科學學院 (SEAS) 的一個團隊，通過3D打印 PLCL 的聚己內酯 (PCL) 和聚乳酸 (PLA) 來定制心臟瓣膜，
根據3D科學谷的市場了解，哈佛大學Lewis團隊開發了旋轉多材料3D打印技術可實現異質螺旋亞三維結構，該技術能夠對方位異質結構細絲的局部方向進行亞體素控制。通過調控3D打印過程的角速度，可以制造出具有不同力學性能的細絲。通過這種增材制造技術，可以設計每一個晶格框架的力學性能，實現差異化和結構化打印。
根據3D科學谷，市場上大多數聚合物瓣膜材料尚未達到天然組織的性能，它們仍然會引起血栓和鈣化問題，并且在血流循環負荷下，聚合物瓣膜易失效。雖然研究人員致力于找到具有更佳性能的聚合物瓣膜材料，但制造這類人工心臟瓣膜的成本仍然非常高，針對患者的個體化特點進行定制化的制造也難以實現。
之前的心臟瓣膜置換術不能與孩子一起成長，因此需要在兒科患者的一生中重復進行高風險手術。而3D打印的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，最終構建出一個可以與孩子一起成長并終生相融的原生瓣膜。
改善活細胞滲透
根據百度百科，再生醫學（regenerative medicine）的概念廣義上講，再生醫學原先指體內組織再生的理論、技術和外科操作，也可以認為是一門研究如何促進創傷與組織器官缺損生理性修復，以及如何進行組織器官再生與功能重建的學科，可以理解為通過研究機體的正常組織特征與功能、創傷修復與再生機制及干細胞分化機理，尋找有效的生物治療方法，促進機體自我修復與再生，或構建新的組織與器官以維持、修復、再生或改善損傷組織和器官功能。狹義上講是應用生命科學、材料科學、臨床醫學、計算機科學和工程學等學科的原理和方法，研究和開發用于替代、修復、重建或再生人體各種組織器官的理論和技術的新型學科和前沿交叉領域。
哈佛大學的研究團隊近十年來一直致力于開發能夠“生長”的心臟瓣膜，并于 2017 年制造了第一個合成心臟瓣膜 JetValve。該團隊定制的PLCL聚合物材料不僅可以改善 FibraValve 進入體內后活細胞的滲透，而且還可以生物降解。
在先前研究的基礎上，該團隊優化了瓣膜內部“小葉”的形狀，以減少通過瓣膜漏回的血液量。
FibraValve 由聚合物纖維長絲組成，復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。
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新的 FibraValve的創新點在于閥形框架，在空氣噴射流的輔助下，框架可以充滿3D打印的液體聚合物，這使得可以輕松調整最終形狀，結果獲得了一種合成的 3D 打印心臟瓣膜，具有網狀納米纖維網絡，現在，FibraValve 比之前的版本更具彈性，并且還允許細胞在整個支架上更均勻地分布，可以讓細胞滲透和生長，這對于心臟仍在生長的兒科心臟瓣膜疾病患者非常有用。
FibraValve 由聚合物纖維長絲組成，復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。
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正如此前蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊曾在論文中指出的，聚合物人工心臟瓣膜既具有機械性的優異耐久性，又像生物瓣膜那樣具有增強的血液動力學功能。在人工心臟瓣膜領域，已有對于聚合物材料的應用，例如機械瓣膜中的聚四氟乙烯（PTFE）縫合環。
不過，大多數聚合物瓣膜材料尚未達到天然組織的性能，它們仍然會引起血栓和鈣化問題，并且在血流循環負荷下，聚合物瓣膜易失效。哈佛大學的研究團隊將3D打印的FibraValve 植入活羊的心臟中，它立即開始發揮作用，小葉打開和關閉，以實現每次心跳時血流的調節。一小時后，研究人員觀察到稱為纖維蛋白的蛋白質沉積在瓣膜外部，紅細胞和白細胞滲透到其多孔支架中，沒有發現副作用、沒有血栓形成或任何其他問題的跡象。現在，該團隊期待在長期動物測試中評估 FibraValve 的性能和再生能力。
從臨床角度來看，FibraValve 的這些首次體內結果很有希望，并激勵研究人員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帶來更多定制化的植入式醫療設備，例如血管、其他瓣膜和心臟補片。
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