綜述《Trends in Biotechnology》：3D打印心臟瓣膜
時間：2025-05-30 08:10 來源：EFL生物3D打印與生物制造 作者：admin 閱讀：次
心臟瓣膜疾病是現代重要健康負擔，目前臨床常用的機械瓣膜和生物瓣膜存在需終身抗凝、結構易退化等問題，而聚合物瓣膜和組織工程瓣膜尚未實現主流臨床應用。來自西澳大學Elena M. De-Juan-Pardo團隊在《Trends in Biotechnology 》期刊上發表文章“3D printing of heart valves”，綜述了3D打印心臟瓣膜的研究進展，聚焦于利用該技術制造患者特異性模具之外的研究。文中探討了人工心臟瓣膜在流體力學、耐久性、生物相容性及經導管植入兼容性方面的關鍵要求，分析了立體光刻、直接墨水書寫等3D打印技術在心臟瓣膜工程中的應用，參考ISO標準評估了這些瓣膜的功能。研究指出，3D打印技術在制造復雜結構、多材料組裝及仿生結構方面展現出前所未有的潛力，有望對人工心臟瓣膜的研發產生重大積極影響并可能實現完全復雜功能。
研究內容
通過示意圖及公式推導，研究了經瓣膜壓力梯度（TVPG）、有效孔面積（EOA）、總反流分數（TRF）在主動脈瓣位置的計算方法及臨床意義。結果表明，3D 打印瓣膜需滿足 ISO 標準中 EOA≥1.15 cm²、TRF≤20% 等核心指標，部分 3D 打印瓣膜（如 MEW 復合瓣膜）的 EOA 和 TVPG 已接近或優于健康瓣膜水平，但長期耐久性仍待提升。通過匯總不同技術的材料、細胞類型及研究時間，研究了SLA、DIW、MEW等技術在TEHV和PHV中的適用場景。結果顯示，TEHV以水凝膠和可降解聚合物為主，側重細胞相容性；PHV多用硅基和聚氨酯材料，強調力學耐久性，且DIW和MEW技術在多材料集成與結構精準控制中表現突出。
1. 3D打印心臟瓣膜-立體光刻（SLA）和直接墨水書寫（DIW）
通過設計均質/異質水凝膠結構、細胞封裝及仿生硅基框架，研究了SLA和DIW技術在瓣膜力學性能與流體動力學的表現。結果顯示，SLA異質水凝膠瓣膜經Fe³⁺強化后抗疲勞循環次數提升超17倍，DIW硅基PHV通過4000萬次循環測試，流體力學指標（EOA、TRF）符合ISO標準，且含細胞的DIW瓣膜可促進細胞存活與基質沉積。
2. 3D打印心臟瓣膜-生物繪圖（Bioplotting）和熔融電寫（MEW）
通過膠原蛋白生物墨水打印、脫細胞處理及仿生纖維結構設計，研究了生物繪圖和MEW技術在瓣膜仿生結構與生物相容性的應用。結果表明，生物繪圖技術可構建完整心臟模型，但流體力學性能待優化；MEW仿生膠原纖維瓣膜力學性能接近天然組織，復合水凝膠后流體循環測試表現優于部分臨床瓣膜，且大鼠體內實驗顯示支架可促進細胞浸潤與膠原沉積。
3. 3D打印心臟瓣膜與商用瓣膜的流體力學性能對比
通過對比ISO標準下的關鍵指標（EOA、TRF、TVPG），研究了3D打印瓣膜與市售機械瓣、生物瓣的功能差異。結果表明，部分3D打印瓣膜（如MEW復合TEHV）的有效開口面積（EOA）和跨瓣壓力梯度（TVPG）優于臨床產品，但疲勞循環次數（最高4000萬次）尚未完全滿足ISO要求（2億次），顯示出在流體力學上的潛力與耐久性提升空間。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2023.11.001
研究內容
通過示意圖及公式推導，研究了經瓣膜壓力梯度（TVPG）、有效孔面積（EOA）、總反流分數（TRF）在主動脈瓣位置的計算方法及臨床意義。結果表明，3D 打印瓣膜需滿足 ISO 標準中 EOA≥1.15 cm²、TRF≤20% 等核心指標，部分 3D 打印瓣膜（如 MEW 復合瓣膜）的 EOA 和 TVPG 已接近或優于健康瓣膜水平，但長期耐久性仍待提升。通過匯總不同技術的材料、細胞類型及研究時間，研究了SLA、DIW、MEW等技術在TEHV和PHV中的適用場景。結果顯示，TEHV以水凝膠和可降解聚合物為主，側重細胞相容性；PHV多用硅基和聚氨酯材料，強調力學耐久性，且DIW和MEW技術在多材料集成與結構精準控制中表現突出。
圖1. 通過ISO 5840評估的主要水動力指標示意圖
圖2. 工程心臟瓣膜用3D打印技術的工作原理示意圖
1. 3D打印心臟瓣膜-立體光刻（SLA）和直接墨水書寫（DIW）
通過設計均質/異質水凝膠結構、細胞封裝及仿生硅基框架，研究了SLA和DIW技術在瓣膜力學性能與流體動力學的表現。結果顯示，SLA異質水凝膠瓣膜經Fe³⁺強化后抗疲勞循環次數提升超17倍，DIW硅基PHV通過4000萬次循環測試，流體力學指標（EOA、TRF）符合ISO標準，且含細胞的DIW瓣膜可促進細胞存活與基質沉積。
圖3. 基于立體光刻（SLA）和直接墨水書寫（DIW）的3D打印心臟瓣膜
2. 3D打印心臟瓣膜-生物繪圖（Bioplotting）和熔融電寫（MEW）
通過膠原蛋白生物墨水打印、脫細胞處理及仿生纖維結構設計，研究了生物繪圖和MEW技術在瓣膜仿生結構與生物相容性的應用。結果表明，生物繪圖技術可構建完整心臟模型，但流體力學性能待優化；MEW仿生膠原纖維瓣膜力學性能接近天然組織，復合水凝膠后流體循環測試表現優于部分臨床瓣膜，且大鼠體內實驗顯示支架可促進細胞浸潤與膠原沉積。
圖4. 基于生物繪圖（Bioplotting）和熔融電寫（MEW）的3D打印心臟瓣膜
3. 3D打印心臟瓣膜與商用瓣膜的流體力學性能對比
通過對比ISO標準下的關鍵指標（EOA、TRF、TVPG），研究了3D打印瓣膜與市售機械瓣、生物瓣的功能差異。結果表明，部分3D打印瓣膜（如MEW復合TEHV）的有效開口面積（EOA）和跨瓣壓力梯度（TVPG）優于臨床產品，但疲勞循環次數（最高4000萬次）尚未完全滿足ISO要求（2億次），顯示出在流體力學上的潛力與耐久性提升空間。
表1. 3D打印心臟瓣膜與商用瓣膜的流體力學性能對比
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2023.11.001
(責任編輯：admin)
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