En 3D-printet modell av et voksent hjerte i full størrelse, tilvirket av Feinberg og hans team. Foto via Carnegie Mellon University.

Et team av forskere fra Carnegie Mellon University har utviklet en ny metode for 3D-bioprinting som muliggjør produksjon av realistiske menneskelige hjertemodeller i full størrelse.

Det er altså ikke snakk om fungerende organer, men realistiske modeller som kan benyttes både i undervisningsøyemed, for å simulere ekte operasjoner, samt at de kan skreddersys etter modell av en ekte pasient og øves på før vedkommende skal under kniven. Metoden åpner likevel også for mulige fremskritt innen vevsteknikk og regenerativ medisin.

Forskernes nye Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH) teknikk innebærer ekstrudering av den miljøvennlige alginatpolymeren i en skreddersydd gelatinbeholder. Teamet har som mål å jobbe med kirurger for å lage pasientspesifikke kliniske modeller for kirurgisk trening og forhåndsplanlegging av hjertekirurgi.

–Kirurgen kan manipulere det og få det til å reagere som ekte vev, sier professor Adam Feinberg, som ledet prosjektet. –Så når de kommer inn på operasjonssalen har de fått en ekstra runde med realistisk praksis på forhånd.

Ny 3D-bioprintmetode

Et økende antall kirurger bruker 3D-printing som et middel til å utvikle skreddersydde modeller som lar dem forklare pasienter som skal gjennomgå hjerteoperasjoner. Ved å bruke bioprinting for å produsere disse replikaene kan de være realistiske, men åpner også muligheten for vevsteknikk og regenerativ medisin.

For tiden blir vanlige 3D-printteknikker som stereolitografi (SLA) og Fused Deposition Modelling (FDM) brukt til å reprodusere organer slik at de skal se realistiske ut. Selv om slike metoder generelt har gitt positive resultater, har deres utbredelse hittil vært begrenset av kostnadene og kompetansenivået som kreves for å produsere dem.

For å overvinne disse begrensningene har professor Feinberg og hans kolleger brukt to år på å undersøke hvordan man kan skrive ut en menneskelig hjertemodell i full størrelse og kom med en helt ny tilnærming med FRESH metoden. Teamets nye teknikk begynner med å bruke data samlet fra MR-skanninger og andre skanneprosesser for å designe en nøyaktig 3D-modell.

De resulterende designene skrives deretter ut med en nål som måler 250 mikrometer i diameter, som ekstruderer alginat i en skreddersydd beholder som er stor nok til å passe til en replika i full størrelse. Teamets nye metode ble til slutt funnet å gi mer holdbare modeller enn tidligere, noe som potensielt tillater dem å bli brukt mer effektivt som et kirurgisk treningsverktøy.

3D-printing av kirurgiske modeller i full størrelse

Under 3D-printprosessen bestemte forskerne seg for å bruke alginat som hovedmateriale for modellene sine fordi det ligner teksturen og de mekaniske egenskapene i organisk hjertevev. Dessuten viser det seg at mykere materialer som TPU og silikon er utsatt for deformasjoner på grunn av tyngdekraften, noe som gjør det litt mer stive alginatet til et bedre egnet alternativ. Tidligere har mindre hjertemodeller vært printet i verdensrommet, for å forhindre påvirkning av tyngdekraften.

Etter å ha produsert en serie prototyper, etterbehandlet forskerne dem i 12 timer i en gelatinbeholder, før de ble plassert i en inkubator over natten for å fjerne gelatinstøttene. Når de additivt tilvirkede modellene var klare, fortsatte Feinberg og teamet hans med å teste dem ved å se hvor langt polymeren kunne strekkes mens den ble sydd.

Resultatene indikerte at alginat hadde tilstrekkelig strekkfasthet til å kunne gjøres til hjertemodeller for kirurger å øve på. Forskerne fortsatte deretter med å bruke sin FRESH-tilnærming til å lage mindre modeller bestående av kranspulsårer fylt med falskt blod som også kan være nyttige for trening av kirurger.

Fire skanninger, det første er hjertet basert på MRI skann og det siste FRESH printet med alginat. Foto via Carnegie Mellon University.

En interessant ting var at teamet fant ut at nålespissen på ekstruderen var problematisk, da den trengte å være lang nok til å nå bunnen av gelatinbadet, samt å støtte det trykte materialet. For å løse dette problemet ble det laget en 3D-printet nålestøttekrage som kan byttes ut og festes til printerens ekstruderhode etter eget ønske.

Forskerne konkluderte med at deres 3D-modell var egnet som et kirurgisk treningsverktøy for å praktisere sutur (kirurgisk søm), så vel som andre operasjoner som kunne utføres på et ekte menneskelig hjerte. Samlet sett kan prosjektet åpne for andre forskningsveier, og i fremtiden håper teamet at deres FRESH-tilnærming fører til utvikling av et verktøy for testing av biomedisin.

Kilde: 3DprintingIndustry.com