生物3D打印技術模擬肺動脈狹窄體研究平臺_abio生物試劑品牌網
本研究開發了患者特異性 3D 生物打印模型，用于法洛四聯癥合并肺動脈閉鎖及主肺動脈側支動脈（MAPCAs）的體外分析和治療規劃。研究基于患者的計算機斷層掃描（CT）或 3D 旋轉血管造影數據，生成血管的數字 3D 模型，隨后使用生物相容性樹脂進行 3D 打印，或用20% 明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝膠進行生物打印，模擬新生兒或青少年患者的血管結構。通過該模型模擬了經導管介入術建立閉鎖肺動脈與側支動脈的腔外連接，結合計算流體動力學（CFD） 分析血流情況，成功展示了在閉鎖血管中建立血流的新技術。該模型為復雜心血管疾病的治療開發、手術培訓及疾病建模提供了功能性平臺。
思維導圖：
1. 研究背景
開發基于患者數據的體外肺動脈狹窄模型，作為心血管疾病的體外模擬體，用于：
4. 研究結果
關鍵問題：
問題：研究中 3D 生物打印模型使用的核心材料是什么？其特性如何支持模型功能？
答案：核心材料是 20% 明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝膠。其特性包括：① 生物相容性，可支持細胞附著與功能；② 物理特性接近天然軟組織（剛度匹配血管壁）；③ 可通過 UV 交聯固化，便于塑形；④ 允許灌注，能模擬血管內血流，支持介入手術模擬（如支架植入和造影觀察）。
問題：該 3D 打印模型與傳統動物模型或 2D 模型相比，在研究復雜心血管疾病時有何優勢？
答案：① 個體化：基于患者影像數據構建，能反映個體血管解剖差異，解決 “一刀切” 治療難題；② 可控性：避免動物模型的遺傳 / 環境變異，體外環境可精確調控；③ 功能性：可模擬血流灌注，結合 CFD 分析血流動力學，優于 2D 模型的靜態展示；④ 實用性：可重復用于手術培訓和新技術測試，減少對患者和動物的依賴。
問題：為推動該技術的臨床轉化，未來研究需解決哪些關鍵問題？
答案：① 生物模型優化：提高生物打印模型的細胞存活率、長期灌注能力，解決營養 / 氧氣擴散問題；② 材料改進：開發可降解、功能性導管材料，減少吻合后狹窄風險；③ 技術簡化：簡化 3D 模型生成流程，降低對專業技能的依賴，縮短制備時間（目前需 2-3 天）；④ CFD 完善：納入血管壁彈性、復雜分支等參數，提升血流模擬的真實性；⑤ 體內驗證：開展動物實驗驗證模型預測的臨床相關性，評估長期安全性和有效性。
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思維導圖：
1. 研究背景
- 疾病特性：法洛四聯癥合并肺動脈閉鎖及主肺動脈側支動脈（MAPCAs）是一種罕見先天性心臟病，肺動脈（PA）狹窄復雜，側支動脈的起源、數量、大小存在顯著個體差異。
- 治療挑戰：現有治療以單源化手術（側支動脈吻合）為主，但術后遠端狹窄常見，需多次干預；需維持肺部均等低壓以避免右心室高壓，傳統模型難以滿足個體化治療需求。
開發基于患者數據的體外肺動脈狹窄模型，作為心血管疾病的體外模擬體，用于：
- 培訓術者及手術團隊
- 開發新型治療方法
- 探索潛在干預措施
| 步驟 | 關鍵細節 |
| 患者數據獲取 | - 新生兒（3 天）：計算機斷層掃描（CT） - 青少年（14 歲）：3D 旋轉血管造影（XA），結合屏氣和心臟起搏減少偽影 |
| 數字 3D 模型生成 | - 從影像中提取血管信息，用 Autodesk Meshmixer 軟件構建空心模型（1mm 壁厚，可灌注） - 生成立體光刻文件，保留血管網絡及管腔結構 |
| 3D 打印（合成模型） | - 設備：Form 2 立體光刻打印機（Formlabs） - 材料：Flexible Resin（柔韌性）、Clear Resin（高分辨率、透明，便于觀察血流）、Elastic Resin（高彈性，遠端分辨率較低） - 后處理：3 次異丙醇清洗（各 20 分鐘）→ 干燥 → UV 固化 20 分鐘 - 周期：2-3 天 |
| 生物打印（GelMA 模型） | - 材料：20% GelMA 水凝膠（含 0.5% 光引發劑 Irgacure） - 制作：鑄造（直接注入 3D 打印外殼）或生物打印機（CELLINK Bio X）打印 → UV 交聯 10 分鐘 → 組裝外殼（含入口 / 出口連接器） - 結構：模擬閉鎖血管（17.5mm 長，2mm 直徑）和開放血管（25mm 長，2mm 直徑） |
| 介入手術模擬 | - 步驟：鞘管進入開放血管 → 熒光透視下用導絲和微導管穿刺閉鎖血管 → 置入 3.5mm 支架 → 造影驗證血流 - 場景：先在工作臺優化，再在心臟導管室模擬臨床環境 |
| 計算流體動力學（CFD）分析 | - 模型：基于再通血管的 CAD 模型，網格含 200k 元素 - 參數：入口脈動流速（16-25mm/s，模擬新生兒肺動脈）、出口壓 5mmHg、血液流變學特性（Carreau 模型）、剛性血管壁（無滑移條件） - 分析：血流速度、壁面剪應力、再循環區域 |
4. 研究結果
- 模型準確性：3D 打印模型與患者血管影像高度一致，能再現血管網絡結構（圖 1）；造影驗證顯示模型可清晰顯示血流（圖 1G、1H）。
- 介入成功：通過模擬手術成功建立閉鎖血管與側支動脈的連接，支架植入后血流恢復（圖 2E），重復 3 次均成功。
- CFD 結果：預測峰值血流速度 41mm/s，收縮期減速階段在連接入口處出現血流再循環（圖 2F）。
- 培訓與規劃：模型可用于模擬復雜手術（如單源化修復），幫助術者優化操作流程。
- 新技術開發：為經導管再通術等新型干預措施提供體外測試平臺，減少患者和動物模型的變異性。
- 疾病建模：結合患者干細胞衍生的心肌細胞等，可構建更真實的疾病模型，用于藥物和手術評估。
- 技術挑戰：臨床影像分辨率有限（CT 難以區分肺動靜脈壁）；3D 模型生成需專業技能，難以普及。
- 生物模型缺陷：生物打印模型的細胞存活、長期灌注（營養 / 氧氣擴散）存在挑戰；小直徑血管吻合易導致損傷。
- CFD 簡化：未模擬血管壁彈性、復雜血管分支等體內真實條件。
關鍵問題：
問題：研究中 3D 生物打印模型使用的核心材料是什么？其特性如何支持模型功能？
答案：核心材料是 20% 明膠甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝膠。其特性包括：① 生物相容性，可支持細胞附著與功能；② 物理特性接近天然軟組織（剛度匹配血管壁）；③ 可通過 UV 交聯固化，便于塑形；④ 允許灌注，能模擬血管內血流，支持介入手術模擬（如支架植入和造影觀察）。
問題：該 3D 打印模型與傳統動物模型或 2D 模型相比，在研究復雜心血管疾病時有何優勢？
答案：① 個體化：基于患者影像數據構建，能反映個體血管解剖差異，解決 “一刀切” 治療難題；② 可控性：避免動物模型的遺傳 / 環境變異，體外環境可精確調控；③ 功能性：可模擬血流灌注，結合 CFD 分析血流動力學，優于 2D 模型的靜態展示；④ 實用性：可重復用于手術培訓和新技術測試，減少對患者和動物的依賴。
問題：為推動該技術的臨床轉化，未來研究需解決哪些關鍵問題？
答案：① 生物模型優化：提高生物打印模型的細胞存活率、長期灌注能力，解決營養 / 氧氣擴散問題；② 材料改進：開發可降解、功能性導管材料，減少吻合后狹窄風險；③ 技術簡化：簡化 3D 模型生成流程，降低對專業技能的依賴，縮短制備時間（目前需 2-3 天）；④ CFD 完善：納入血管壁彈性、復雜分支等參數，提升血流模擬的真實性；⑤ 體內驗證：開展動物實驗驗證模型預測的臨床相關性，評估長期安全性和有效性。
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