《自然通讯》：3D打印机创建心脏病治疗的变革性装置

2014年2月25日在《自然通讯》（Nature Communications）杂志在线发表的一项最新研究中，包括清华大学在内的一个国际小组，使用廉价的3D打印机，研制出一种可定制的、内置传感器的植入装置——由柔软而有弹性的硅材料构成的3D弹性薄膜，其形状与心脏心外膜或心脏壁外层精确匹配，可改变心脏疾病的治疗和预测。

　　

生物通报道：目前，生物医学工程师使用廉价的3D打印机，研制出一种可定制的、内置传感器的植入装置，可改变心脏疾病的治疗和预测。

美国圣路易斯华盛顿大学工程与应用科学学院的生物医学工程教授Igor Efimov，与由生物医学工程师和材料科学家组成的一个国际小组，研制出一种由柔软而有弹性的硅材料构成的3D弹性薄膜，其形状与心脏心外膜或心脏壁外层精确匹配。当前适形电子系统基本上都是二维薄片，不能覆盖整个心外膜表面，或者在无缝合或粘合剂的慢性应用中，不能保持可靠的接触。

研究小组将微型传感器打印到这种薄膜上，它能够精确地测量温度、机械应力和pH值等标记，或在心律失常的情况下传导电脉冲。这些传感器可以帮助医生确定心脏的健康，在患者表现出任何症状体征之前，提供治疗或预测即将发生的心脏病。

相关研究结果于2014年2月25日在《自然通讯》（Nature Communications）杂志在线发表。论文作者包括来自美国、中国、加拿大、新加坡和韩国的科研人员。中国清华大学的苏业旺博士也参与了此项研究。

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Efimov博士指出：“每一颗心脏都有不同的形状，当前的设备是一刀切式的，一点都不符合患者心脏的几何结构。利用这个应用程序，我们可通过核磁共振成像（MRI）或电脑断层扫描（CT），对患者的心脏进行图像分析，然后计算提取图像，建立一个三维模型，我们可以在3D打印机上打印该模型。然后我们制作薄膜的模具，这个模具就是部署在心脏表面的这个装置的基础。”

这种薄膜最终可用于治疗心脏下部腔室中的心室疾病，或可插入心脏内来治疗各种疾病，包括心房颤动，在美国这种疾病影响3~5百万的患者。

Efimov也是医学院的放射学和细胞生物生理学教授，他解释说：“目前，治疗心节律疾病的医疗设备，基本上都基于两个电极，这两个电极通过静脉插入并部署在心腔内。这些医疗设备只在一个或两个点上与组织接触，并且分辨率非常低。我们想要研制的方法，能够让你有无数个接触点，用高清诊断法和高清疗法来解决这个问题。”

伊利诺斯大学香槟分校材料研究实验室的材料科学与工程学教授John Rogers共同指导了这项研究，他开发了转移打印技术，利用半导体材料包括硅、砷化镓和氮化镓以及金属、金属氧化物和聚合物制备了传感器。

最近，谷歌公司宣布，他们已经研制出一款具有高科技含量的隐形眼镜，这款智能隐形眼镜内置了小型葡萄糖传感器，可以在佩戴后对眼泪中所含糖分进行监测，随时让糖尿病病人掌握自己的血糖水平。Efimov表示，虽然研究小组研制的这种薄膜更加的复杂，但其实是一种类似的理念。

Efimov指出，因为这种薄膜是植入式的，它将使医生能够监测不同器官的重要功能，并在必要时进行干预治疗。在心脏节律紊乱的情况下，可以用它来刺激心肌或大脑，或者在肾脏疾病中，用它来监测钙离子、钾离子和钠离子的浓度。

Efimov还指出，该薄膜甚至可以控制传感器测量肌钙蛋白，肌钙蛋白是在心脏细胞中表达的一个蛋白，是心脏病发作的一个标志。因为医学院的临床化学教授Jack Ladenson博士开发的一个检测，肌钙蛋白分析成为疑似心脏病患者的一个医疗标准。

最终，这种装置将与心室辅助装置相结合。Efimov表示：“这仅仅是个开始，以前的装置已经显示出巨大潜力，并挽救了数百万人的生命。现在，我们可以采取下一个步骤，解决一些我们不知道该如何治疗的心律失常问题。”（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
3D multifunctional integumentary membranes for spatiotemporal cardiac measurements and stimulation across the entire epicardium
Abstract: Means for high-density multiparametric physiological mapping and stimulation are critically important in both basic and clinical cardiology. Current conformal electronic systems are essentially 2D sheets, which cannot cover the full epicardial surface or maintain reliable contact for chronic use without sutures or adhesives. Here we create 3D elastic membranes shaped precisely to match the epicardium of the heart via the use of 3D printing, as a platform for deformable arrays of multifunctional sensors, electronic and optoelectronic components. Such integumentary devices completely envelop the heart, in a form-fitting manner, and possess inherent elasticity, providing a mechanically stable biotic/abiotic interface during normal cardiac cycles. Component examples range from actuators for electrical, thermal and optical stimulation, to sensors for pH, temperature and mechanical strain. The semiconductor materials include silicon, gallium arsenide and gallium nitride, co-integrated with metals, metal oxides and polymers, to provide these and other operational capabilities. Ex vivo physiological experiments demonstrate various functions and methodological possibilities for cardiac research and therapy.