新しい研究で心臓弁を数分で作成する3Dプリンティング法が明らかに

サラ・モッタとクリストフ・シャントル

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ハーバード大学の研究者らは、3Dプリンティングを使用して10分以内に製造できる人工心臓弁を開発した。 彼らはこのプロトタイプを羊でテストし、1時間にわたって血流を正常に調節した。

心臓の弁が病気によって損傷したり、正常に機能しなくなったりすると、体内の血液の流れが妨げられます。 これはさらに、脳卒中、不整脈、心不全などの問題を引き起こす可能性があります。

そこで医師は損傷した心臓弁を合成弁に置き換えます。 米国では毎年10万人以上が心臓弁の手術を受けています。

このような操作にはコストがかかります。 現在、合成バルブの製造には数か月かかります。 研究者らは、3D プリントされたバルブにはこれらの課題の両方を克服できる可能性があると主張しています。

また、自分自身を改造することもできます。 したがって、年齢とともに心臓の大きさが変化するため、繰り返し弁手術を受ける必要がある患者（特に小児弁膜症の子供）にとって有益となる可能性がある。

サラ・モッタ、マイケル・ピーターズ、クリストフ・シャントル

提案されている合成弁は、体内の自然な心臓弁の成長をサポートする細胞外マトリックスのように機能するナノファイバーのメッシュ状ネットワークで構成されています。

これらのナノファイバーの製造は、3D で調整可能な配列を持つマイクロファイバーまたはナノファイバーの足場を迅速に作成できる積層造形技術である集束回転式ジェットスピニング (FRJS) を使用して実現されます。

研究者らはまず心臓弁の形をしたフレームを作成し、次にエアジェットを使って液体ポリマーをフレームに押し込んだ。 これにより、完璧なナノファイバー メッシュワークの開発が実現しました。その結果、バルブには細胞がやって来て成長できる多孔質の足場ができました。

研究論文の上級著者でハーバード大学の生物工学教授であるキット・パーカー氏はさらに、「細胞はナノメートルスケールで動作し、3Dプリンティングではそのレベルにまで到達することはできないが、集中的にロータリージェットを回転させることでナノメートルスケールの空間的手がかりを与えることができる」と説明した。そのため、細胞がその足場に這い上がると、合成足場ではなく心臓弁の中にいるように感じるのです。」

研究者らは、製造に数週間から数か月かかる既存の技術とは異なり、上記の方法を使用すれば完全な合成弁を 10 分以内に回転させることができると主張しています。

さらに、このような弁は、心臓弁膜症に苦しみ、人生のさまざまな段階で繰り返し手術を必要とする子供たちにとって有益となる可能性がある。

「残念ながら、現在の心臓弁置換術は子どもの成長とともに成長しません。私たちの弁は生分解性ポリマー繊維を使用して製造されており、患者の細胞が移植された足場に付着して再構築することができ、最終的には子どもと一緒に成長して生き続けることができる自然な弁を構築することができます」彼らの人生だ」と研究者らは指摘する。

人工心臓弁は、生涯にわたる耐久性と、患者を数十億回の心拍サイクルに耐えさせる能力で知られています。 研究者らは、FRJS ベースのバルブが既存のソリューションと同等に機能するかどうかをテストするために一連の実験を実施しました。

彼らは最初にパルスデュプリケーター（心拍シミュレーター）を使ってバルブをテストしました。 実験中、バルブは何度も開閉、変更、形状保持に成功しました。

次に、彼らは弁上で心臓細胞を培養し、足場材料が細胞の成長を促進するのに安全であるかどうかを確認しました。 また、「弁は血液と直接接触するため、その材料が血栓症や血管の閉塞を引き起こさないことを確認する必要がある」と、筆頭著者でチューリッヒ大学のトランスレーショナルサイエンティストであるサラ・モッタ氏は述べた。

バルブの弾性、強度、安全性をテストした後、研究者らはバルブのプロトタイプが哺乳類で機能するかどうかを確認したいと考えました。

この研究は、ヒツジの心臓は人間の心臓に似ており、体の積極的なカルシウム代謝により弁が常に圧力を受けていることを示唆しているため、著者らはヒツジのモデルを使用することに決めました。

彼らは2頭の羊に2つの弁を移植することに成功し、超音波を使って診断した。 手術後すぐに両方のバルブが機能し始めました。

1 時間以内に、2 頭目の羊の人工弁で細胞の増殖が観察され始めました。 インプラントは血流を効果的に制御し、血栓症やその他の副作用を引き起こしませんでした。

しかし、最初の羊のバルブは数分後に作動しなくなってしまいました。 研究者らによると、それは「不適切なサイズ」だったという。 したがって、動物の心臓の中に適合しませんでした。

バルブのプロトタイプの成功に興奮した研究者らは、さまざまな動物モデルを使用してさらなる試験を実施する予定です。 また、インプラントが長期間にわたってどのように機能するかをテストしたいと考えています。

この技術が人間に利用可能になるまでには長い時間がかかるでしょうが、実際に利用できるようになれば、心臓弁置換術のやり方が変わるかもしれません。

この研究は雑誌「Matter」に掲載される。