Varje år behöver tusentals amerikaner, de flesta över 75 år, byta ut sin aortaklaff. Nu kan 3D-utskrivna patientspecifika modeller av aorta underlätta den prekirurgiska planeringen och förbättra resultaten av minimalt invasiva klaffbyten.

3D-utskriven modell av patientens aorta
3D-utskriven modell av patientens aortaregion. Den patientspecifika modellen omfattar anatomin hos de skadade bladen i aortaklaffen, där ersättningsklaffen kommer att sättas in. Modellen innehåller integrerade sensorer som hjälper till att vägleda placeringen av ersättningsklaffen. Credit: Haghiashtiani, et al. Science Advances, 28 Aug 2020 (ref. 2)

Hjärtats vänstra kammare har den viktiga funktionen att trycka igenom friskt syresatt blod till aorta, som sedan distribuerar blodet i hela kroppen. Aortaklaffen öppnas när blodet trycks igenom och stängs sedan så att blodet inte kan röra sig bakåt in i hjärtat. Aortastenos är ett tillstånd där aortaklaffen har blivit trång med tiden, vilket gör att hjärtat måste arbeta hårdare – ett tillstånd som kan leda till hjärtsvikt.

Transkateter aortaklaffbyte (TAVR) är ett förfarande där en konstgjord hjärtklaff träs med en kateter genom aorta och expanderas – ungefär som att öppna ett paraply – för att ersätta en sviktande aortaklaff. TAVR används i allt större utsträckning eftersom det är ett minimalt invasivt förfarande som är mycket säkrare än öppen hjärtkirurgi för de övervägande äldre patienter som behöver ingreppet. På grund av den sjuka klaffens ojämnheter och patientspecifika konturer i aorta är det dock inte alltid säkert att få en perfekt läckagesäker passform och optimal placering av den nya klaffen.

Nu har NIBIB-finansierade ingenjörer vid University of Minnesota, under ledning av Michael McAlpine, som innehar Kuhrmeyer Family Chair Professorship vid University of Minnesota Department of Mechanical Engineering, gjort betydande framsteg mot en förbättring av TAVR genom att 3D-skriva ut en exakt modell av patientens sjuka klaff och de omgivande delarna av aorta. Denna fysiska modell av området, som kallas aortakroppen, gör det möjligt för läkarna att öva på det förfarande som krävs för varje patient, vilket gör det möjligt för dem att identifiera rätt storlek på ersättningsventilen och bestämma den exakta placeringen i aorta som kommer att ge bästa passform och funktion.

3D-utskriven modell av patientens aorta
Se videon om 3D-utskriftsprocessen.

”I takt med att USA:s befolkning åldras kommer antalet personer över 75 år som behöver byta klaff med hjälp av TAVR att fortsätta att öka”, förklarade Michael Wolfson, direktör för NIBIB:s program för bioniska system. ”Möjligheten att skapa patientspecifika modeller av aortikaroten är en viktig utveckling som kan förbättra framgångsfrekvensen för detta utmanande ingrepp och avsevärt minska riskerna för postoperativa komplikationer.”

Men även om modeller av aortikaroten har använts tidigare för kirurgisk planering är de modeller som skapats med hjälp av den avancerade 3D-utskriftstekniken mycket mer verklighetstrogna när det gäller textur och elasticitet. En annan unik aspekt av dessa modeller är införlivandet av sensorer i aortaväggen. Sensorerna ger återkoppling som gör det möjligt för läkarna att undvika att ersättningsklaffen utsätter den ledningsbana som styr hjärtats rytm för överdrivet tryck. För mycket tryck kan orsaka onormal hjärtrytm och ett omedelbart behov av att implantera en permanent pacemaker i patienten.

Modell av aorta med ersättningsklaff insatt nära integrerade sensorer
Konstgjord klaff expanderad inuti aortakroppen för att ersätta den defekta naturliga klaffen. Credit: Haghiashtiani, et al. Science Advances, 28 Aug 2020 (ref. 2)

Ingenjörsteamet använder datortomografier av patientens hjärta för att återskapa den exakta formen på aortikarotregionen. De 3D-skrivs sedan ut med specialiserade silikonbaserade bläck som matchar känslan hos riktig hjärtvävnad. De mjuka elektriska sensorerna som ger tryckåterkoppling 3D-printas också in i modellen och är tillverkade av en ledande hydrogel.

”Denna 3D-utskriftsprocess har utformats för att hjälpa läkare att förbättra resultaten av TAVR-förfarandet och kan också bidra till att ge patienterna en tydligare förståelse för sin anatomi och hur förfarandet fungerar”, säger McAlpine. I takt med att ingenjörer fortsätter att förbättra 3D-utskriftsteknikerna och skapa ännu mer verklighetstrogna modeller av organ kan McAlpine föreställa sig vart sådan teknik kan leda. ”I framtiden, när våra 3D-printade modeller innehåller fler aspekter av organens funktion, ser vi potentialen för att modellerna själva en dag kan användas som konstgjorda ersättningsorgan.”

Arbetet rapporterades i tidskriften Science Advances1. Finansiering tillhandahölls via bidrag från National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (DP2EB020537), Medtronic plc och MnDRIVE-programmet vid University of Minnesota.

1. 3D-utskrivna patientspecifika aortakroppsmodeller med interna sensorer för minimalt invasiva tillämpningar. Haghiashtiani G, Qiu K, Zhingre Sanchez JD, Fuenning ZJ, Nair P, Ahlberg SE, Iaizzo PA, McAlpine MC. Sci Adv. 2020 Aug 28;6(35):eabb4641. doi: 10.1126/sciadv.abb464

2. https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

Lämna en kommentar

Din e-postadress kommer inte publiceras.