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利用杭州3D打印技术 制造新型植入式心脏设备

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生物学中的一个具有诗意的现象是,每个人心脏的大小和形状都稍有不同。然而迄今为止的植入式心脏设备,包括心脏起搏器和心脏除颤器,基本上都是只有一个尺寸。尽管这些设备拯救了许多患者的生命,但抛开别的不说,单一尺寸也意味着这些设备能够收集的信息是有限的。

最近研究人员展示了一种新的个性化心脏传感器,目标就是改善这种情况。通过三维打印机,研究人员使用动物心脏的图像来创建模型。然后他们在这些模型上建造弹性电子设备。弹性材料可以从打印模型上摘下,并且紧密地包裹在真正的心脏上。

研究小组还将史无前例地把很多组件整合到这些设备上,所展示的组件包括弹性传感器阵列、氧合探测器、应变仪、电极和温度计,这些都被制作得可以完美地包裹在某个特定心脏上。对于患者来说,这意味着更加彻底、更加合适的检测和治疗。

一种需要改进的设备是植入式除颤器,这种设备附着在失常的心脏上,利用来自一到两个电极的数据,来确定是否应通过电击来恢复正常的心脏跳动。圣路易斯华盛顿大学的心脏生理学家、生物工程师伊戈尔·叶菲莫夫(Igor

Efimov)说,信息仅来自一到两个点,使得这类系统中的电子设备可能会作出错误的决定,令病人遭受痛苦却不必要的电击。

“下一步是研制拥有多个传感器的设备,而且不仅是更多的电子传感器,”叶菲莫夫说。他说的是能够探测酸性条件的传感器,包括能显示出冠状动脉阻塞的早期迹象。同时还包括发光二极管和光传感器,能够通过识别不透明的含氧不足的血液区域,来提供关于心肌组织健康的信息。光传感器甚至能有助于检测心脏病发作,因为在心脏病发作时聚积的NADH脱氢酶能自然发出荧光。

叶菲莫夫与伊利诺伊大学香槟分校的材料科学家约翰·罗杰斯(John

Rogers)在更精巧的植入式心脏设备上进行合作。罗杰斯曾制作出大张的薄且可伸展的电子设备,并且展示出它们可以放置在心脏和其他组织上,以监控电活动和其他功能。这一次与叶菲莫夫的合作,建立在罗杰斯公司MC10的作品上,是将不同类型的传感器整合在柔韧且具生物相容性的材料上。

为制造新型植入式心脏设备,研究人员把多种类型的传感器整合成同一张薄片,而且他们把薄片做得能够更好地包裹在心脏表面。“之前,我们只会在平坦表面上预制这些设备,”美国西北大学的机械工程师黄永刚说。他协助设计了这些弹性电子设备。平面材料的问题在于包裹在心脏上以后会起褶皱。

褶皱可能会中断器官和电子设备的接触。为了消除这些褶皱,叶菲莫夫的团队在三维打印的塑料模型上制造这些设备,模型的设计源于单个心脏的图像。他们在塑料模型上制造实际设备,首先铺上传感器和其他电子设备(以及连接线路),然后以一张具有弹性的、符合美国食品和药物管理局(FDA)标准的聚合物盖在它们上面。最后,整套设备可以被剥下来,并包裹在心脏上。

研究人员利用兔子心脏的光学图像来演示这一理念。为了给病人制造设备,他们会使用CT或核磁共振扫描每个人的心脏。这项工作最近被发布在网上的《自然通讯》(Nature

Communications)杂志上。

伦敦帝国理工学院的心脏电生理学主任尼古拉斯·彼得斯(Nicholas

Peters)说,新设备可以精确地同时检测多项心脏功能,这在以前是不可能的。他说,医生使用这种薄片设备,不仅能测绘电活动,还能检测机械功能和心脏健康的其他方面。

“人们曾一直寻求以这种级别的精确度,进行共定位心脏电和机械功能检测,”彼得斯说。“在人类心脏病临床应用上,这种方法即刻提高了这种测量的现实可能性。”

斯坦福大学华裔材料科学家鲍哲南说,“这是三维打印的有效应用,制造了这个为个体病人量身订做的套子状电子设备。”她说,以这种定制制造程序生产的设备估计会比大规模生产的医疗设备更昂贵,但对于这种生死攸关的用途,市场估计承担得住其成本。她还说,在动物实验中,这些大张薄片传感器所收集数据的数量和质量令人印象深刻。

到目前为止,研究人员在身体外的跳动的兔子心脏上检测了他们的技术。接下来的步骤是展示这些设备可以在活体动物身上运作,最后是在人类身上。