3D-gedrucktes Modell bietet Chirurgen die Möglichkeit, Herzoperationen zu üben

Forscher der Washington State University haben ein 3D-gedrucktes Modell der linken Seite des Herzens entwickelt, das sich zusammenzieht und schlägt. Dies bietet Chirurgen und Medizinstudenten die Möglichkeit, wichtige Herzoperationen an einem Modell zu üben, das wie das Original funktioniert.

Tatsächlich führten die WSU-Forscher eine Klappenreparatur an ihrem Herzmodell durch, wobei sie Ultraschallbildgebung und am Modell angebrachte maßgeschneiderte Sensoren verwendeten, um eine erfolgreiche Reparatur zu zeigen. Über ihre Arbeit berichten sie in der Fachzeitschrift „Advanced Materials Technologies“.

Für Ärzte und Chirurgen ist es sehr nützlich, zu üben, während das Herz noch schlägt, insbesondere bei minimalinvasiven Eingriffen. In unserem Fall ist dieses Modell das erste vollsynthetische Modell, das ohne jegliche Zuhilfenahme von Tiermodellen die komplette linke Herzhälfte nachahmt. Wir konnten sowohl die anatomischen Besonderheiten als auch die dynamischen Funktionen einbeziehen.“

Kaiyan Qiu, Berry Family Assistant Professor, School of Mechanical and Materials Engineering und korrespondierender Autor des Artikels

Herzerkrankungen sind die häufigste Todesursache in den USA und jährlich unterziehen sich etwa 800.000 Menschen einer Herzoperation. Zusätzlich zu größeren Operationen führen Ärzte häufig minimalinvasive Eingriffe zur Behandlung von Herzerkrankungen durch, beispielsweise Klappenkorrekturen. Das Training für die Verfahren erfordert häufig Übungen an Tieren oder Kadavern, die nicht patientenspezifisch oder wiederverwendbar sind. Sie können auch am Computer üben und sich den Eingriff ansehen.

„Es gab andere synthetische Modelle, die größtenteils aus Gussstücken hergestellt wurden, und eine der größten Einschränkungen besteht darin, dass sie einige der komplexeren Krümmungen, die man im Herzen sieht, nicht ausführen können“, sagte Alejandro Guilllen Obando, Erstautor und Doktorand an der School of Mechanical and Materials Engineering.

In ihrer Arbeit nutzten die Forscher einen Scan eines echten Herzens, um eine Nachbildung der linken Herzseite in 3D zu drucken. Die linke Seite des Herzens ist dem höchsten Druck ausgesetzt und erfüllt die lebenswichtigsten Funktionen des Herzens: Sie pumpt sauerstoffreiches Blut durch den Körper. Mit zunehmendem Alter wird die Mitralklappe zwischen den beiden linken Herzkammern häufig undicht, so dass Blut zurückfließt oder aufstößt und die Leistungsfähigkeit des Herzens abnimmt.

Das von den Forschern erstellte Herzmodell umfasst den Vorhof, die Herzkammer und die Mitralklappe und hat eine weiche Textur, die einem echten Herzen ähnelt. Es verfügt außerdem über mehrere winzige pneumatische Aktuatoren, die das Modell pumpen, und über fadenförmiges Material, das einem echten Herzen ähnelt und die Bewegung der Mitralklappe steuert. Während Kunstblut durch das Modell gepumpt wird, können Sensoren am Modell den „Blutdruck“ überwachen.

„Unser schichtweiser Ansatz beim 3D-Druck ermöglicht es uns, mehr Krümmung hinzuzufügen und die Kammern so zu gestalten, dass sie ein echtes Herz simulieren“, sagte Guillen Obando.

Nach der Erstellung ihres Modells druckten die Forscher eine defekte Mitralklappe aus und reparierten sie anschließend. Sie entwickelten ein Reparaturgerät ähnlich handelsüblichen Geräten und führten es in die Mitralklappe ein. Sensoren am Modell zeigten einen erhöhten Blutdruck im linken Ventrikel, was darauf hindeutete, dass sich die Klappe vollständig schloss. Mithilfe der Ultraschallbildgebung konnten sie außerdem feststellen, dass ihr künstliches Blut nicht in die Herzkammer zurückfließt.

Die Forscher haben beim Office of Innovation and Entrepreneurship ein vorläufiges Patent angemeldet und arbeiten nun an der Entwicklung eines vollständigen Herzmodells mit allen vier Kammern und vier Klappen. Sie planen außerdem, in Zukunft mit Medizinern und Studenten zusammenzuarbeiten, um patientenspezifischere, präoperative Proben am Modell für verschiedene Klappenerkrankungen durchzuführen.

Die Arbeit wurde von der National Science Foundation sowie vom Cougar Cage Funds and Commercialization Special Project Fund der WSU finanziert.

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