繊維強化大動脈モデルの3Dプリント

出典: Shangpu Biotechnology

3D プリント技術は、成形の自由度が高く、製造が迅速でパーソナライズできるなどの利点があるため、臨床診断、手術計画、組織工学の足場や人工インプラントの製造などの医療研究で広く使用されています。最近、ETH チューリッヒの Paolo Ermanni 氏のチームは、Materials Letters 誌に「ゼラチン繊維強化シリコン複合材で作られた 3D プリントされた機械的に再現された大動脈モデル」というタイトルの記事を発表し、3D プリント技術を使用してゼラチン繊維強化シリコン複合材で作られた、生体工学的な応力-ひずみ挙動を持つ大動脈モデルについて報告しました。

背景大動脈弁狭窄症は高齢者によく見られる心臓弁の変性疾患です。経カテーテル大動脈弁置換術（TAVR）は、重度の大動脈弁狭窄症の患者に対する効果的な治療法です。この技術は、大腿動脈を通して介入カテーテルを挿入し、人工心臓弁を大動脈弁領域に送り込んで開通させ、人工弁の移植を完了し、弁機能を回復させます。上記のプロセスにおいて、適切な形状の TAVR 弁を選択することは、外科的治療の成功にとって非常に重要です。したがって、外科医は手術前に患者の大動脈の構造を分析し、各患者に適切なサイズの心臓弁を選択する必要があります。

現在、いくつかの研究では、コンピュータ断層撮影（CT）データを通じて大動脈弁の3次元再構成を実現し、3Dプリント技術を使用して個々の患者の大動脈モデルを製造しています。しかし、既存の大動脈モデル研究のほとんどは単一のゴム材料で作られています。このモデルは患者の大動脈構造を再現することしかできず、自然な大動脈組織の典型的な J 字型の応力-ひずみ挙動をシミュレートすることはできません。したがって、大動脈の特性を正確に反映した手術計画モデルを外科医に提供することはできません。

この研究では、パオロ・エルマンニ氏のチームが新しいゼラチン繊維強化シリコンベースの複合材料を構築し、一方向ゼラチン繊維調製技術を開発し、3Dプリント技術を使用して、患者固有の形状と大動脈組織の実際の材料特性の両方を備えた手術計画モデルを準備しました。

実験プロセスと結果

1. 患者の大動脈解剖の構築患者の心臓の CT 画像に基づいて、匿名の患者の心臓のコンピューター断層撮影画像が、医療におけるデジタル画像および通信 (DIACOM) データをコンピューター支援設計ファイルに変換する Mimics 医療画像処理ソフトウェアを使用して分析されました。 3D 視覚化ソフトウェア 3-matic を使用して、DIACOM から抽出された幾何学図形を処理し、患者の大動脈モデルの 3D 再構築を実現しました。

図1. 患者の大動脈解剖学的構造の3次元構築

2. 3Dプリントによる大動脈シリコンモデルの作製<br /> シリコンインクは、Dragon Skin 30、SLO-JO 遅延剤、親水性フュームドシリカの混合物であり、犠牲インクはニベアクリームです。デュアルノズル 3D プリンターをベースに、モデル構造部分の印刷にはシリコンインクを使用し、サポート構造部分の印刷には犠牲インクを使用します。 2 層印刷した後、赤外線を使用して 60 秒間硬化させます。印刷後、純水で洗浄してサポート構造を除去します。

図2. デュアルノズル3Dプリントによる大動脈シリコンモデルの作成

3. 配向ゼラチン繊維で強化された複合モデルの作成<br /> 研究者たちは、下の図 3 に示す自家製のゼラチン繊維収集装置を使用しました。準備したゼラチン繊維をシリコンモデルの外側に一定の方向で手作業で分散させ、複合モデルをさらにシリコンインクに浸してゼラチン繊維をシリコンインクで覆いました。要約すると、研究者らは、シリコンモデルを 3D プリントし、配向ゼラチン繊維を巻き付け、シリコン外層をディップコーティングする方法を使用して、「サンドイッチ」層間構造のゼラチン繊維強化大動脈複合モデルを準備しました。

図3. ゼラチン繊維を調製するための自家製装置

図4. ゼラチン繊維強化シリコーン複合モデルの作成

4. 複合モデルの機械的特性の評価<br /> 病変大動脈組織の機械的挙動に一致するように、異なる繊維体積分率を持つゼラチン繊維強化シリコン複合材料をテストし、実際のヒト大動脈組織と比較しました。ゼラチン繊維強化シリコン複合材料の機械的引張結果は、明らかな J 字型の応力 - ひずみ曲線を示しています。ゼラチン繊維の体積分率が 10% から 15% の複合材料は、この研究で測定された 81 歳の人間の大動脈組織の機械的挙動に近いものでした。さらに、「サンドイッチ」構造内のゼラチン繊維の方向を調整することで、さまざまな領域の機械的異方性挙動をシミュレートできます。

図5. ゼラチン繊維強化シリコーン複合モデルの作成

結論この研究では、シリコーンをマトリックス材料として使用し、配向ゼラチン繊維を強化相として使用して、「サンドイッチ」構造を持つ 3D プリント大動脈複合モデルを準備しました。複合モデルに堆積されたゼラチン繊維の割合を変化させることによってモデルの機械的特性が調整され、大動脈組織に必要な J 字型の応力-ひずみ機械的応答をシミュレートしました。研究者らは今後の研究で、モデル内のゼラチン繊維の正確な分布をさらに改善し、TAVR手術計画の効果的なトレーニングツールにすることを計画している。

参考文献
Kuthe S、Schlothauer A、Bodkhe S、他ゼラチン繊維強化シリコーン複合材3Dプリントの機械的に表現された大動脈モデル[J]。Materials Express、2022：132396。 https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132396

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