研究人员已经开发出3D打印的人工心脏瓣膜，旨在让患者自己的细胞形成新的组织。使用熔融电书写形成这些支架鈥攁n先进的添加剂制造技术鈥攖该团队创建了一个新的制造平台，使他们能够组合不同的精确定制模式，从而微调脚手架的机械性能。他们的长期目标是为儿童制造植入物，使其发育成新的组织，并因此持续一生。
在人体内，四个心脏瓣膜确保血液流向正确的方向。心脏瓣膜的正确开启和关闭至关重要。为了实现这一功能，心脏瓣膜组织是异质的，这意味着心脏瓣膜在同一组织内表现出不同的生物力学特性。
慕尼黑理工大学（TUM）医用材料和植入物教授佩特拉·梅拉（Petra Mela）和西澳大利亚大学（University of Western Australia）教授埃琳娜·德胡安·帕尔多（Elena De Juan Pardo）组成的一个研究团队，现在首次使用一种称为熔融电写（melt electrowriting）的3D打印工艺来模拟这种异质结构。为此，他们开发了一个平台，方便打印精确的定制图案及其组合，使他们能够在同一支架内微调不同的机械性能。
Melt electrowriting能够创建精确的定制纤维支架
熔融电写入是一种相对较新的添加剂制造技术，它使用高压来创建非常薄的聚合物纤维的精确图案。聚合物被加热、熔化并以液体射流的形式从打印头中推出，形成纤维。
在此过程中，施加高压电场，通过加速聚合物射流并将其拉向收集器，大大缩小了聚合物射流的直径。这就产生了一种直径通常在5到50微米之间的薄纤维。此外，电场稳定了聚合物射流，这对于创建定义的精确图案非常重要。
使用计算机控制的移动采集器，根据预定义的模式对光纤喷射进行“写入”。类似于在滴有蜂蜜的勺子下移动一片面包，移动平台沿着一条确定的路径收集新生纤维。用户通过编程其坐标来指定此路径。
为了大大减少与创建心脏瓣膜复杂结构相关的编程工作，研究人员开发了一种软件，通过从可用模式库中进行选择，可以轻松地将不同的模式分配给支架的不同区域。此外，可以通过图形界面轻松调整脚手架的长度、直径和厚度等几何规格。
心脏瓣膜支架与细胞相容，可生物降解
该团队使用医用级聚己内酯（PCL）进行3D打印，该产品与细胞相容且可生物降解。其想法是，一旦植入PCL心脏瓣膜，患者自己的细胞将在多孔支架上生长，就像第一次细胞培养研究中的情况一样。在PCL支架降解之前，这些细胞可能会形成新的组织。
PCL支架嵌入类似弹性蛋白的材料中，该材料模仿真实心脏瓣膜中存在的天然弹性蛋白的特性，并提供比PCL结构孔更小的微孔。这样做的目的是为细胞留出足够的沉降空间，但要为血液流动充分密封瓣膜。
使用模拟生理血压和流量的模拟流量循环系统对设计的阀门进行测试。心脏瓣膜在检查条件下正确开启和关闭。
纳米颗粒允许使用MRI进行可视化
PCL材料与生物医学磁共振教授Franz Schilling和TUM生物分离工程教授Sonja Berensmeier一起进一步进化和评估。通过用超小型超顺磁性氧化铁纳米颗粒修饰PCL，研究人员可以利用磁共振成像（MRI）可视化支架。改性材料保持可打印性，并与电池兼容。这可能有助于将该技术应用于临床，因为支架可以在植入时进行监测。
“我们的目标是设计仿生心脏瓣膜，支持患者形成新的功能组织。儿童尤其会受益于这种解决方案，因为目前的心脏瓣膜不会随着患者的生长而生长，因此多年来必须在多次手术中更换。相比之下，我们的心脏瓣膜模仿了天然心脏瓣膜的复杂性，其设计目的是为了让患者能够佩特拉·梅拉（PetraMela）说：“蒂恩特自己的细胞渗入了支架。”。
通往临床的下一步将是动物模型的临床前研究。该团队还致力于进一步改进该技术和开发新的生物材料。他们目前的研究结果发表在《高级功能材料》上。