3D打印在心血管疾病中的应用

张丽刘青王春仁

1 北京阿迈特医疗器械有限公司 （北京 100085）

2 中国食品药品检定研究院 （北京 102269）

3D打印在心血管疾病中的应用

张丽1刘青1王春仁2

1 北京阿迈特医疗器械有限公司 （北京 100085）

2 中国食品药品检定研究院 （北京 102269）

近年来3D打印技术的潜力已经得到了广泛的关注。3D打印作为一种增材制造技术已经列入国家“中国制造2025”战略规划的重点发展方向之一。在生物医学领域内，随着3D医学影像技术的发展，3D打印技术展示了其独特的优势。此外，由于3D打印的生物医学产品具有较高的产品附加值，因此在生物医学领域内具有更大的商业应用前景。限于篇幅，本文仅对3D打印在心血管疾病中的应用进行综述。

3D打印 心血管疾病 计算机辅助设计 磁共振

1.引言

心血管疾病已成为人类的“第一杀手”[1]，2014年世界卫生组织发布的《全球非传染性疾病现状报告》显示，全球每年约有1750万人死于心血管疾病，占全球死亡总数的31.25%。《中国心血管病报告2015》数据显示，目前心血管疾病死亡占我国城乡居民总死亡原因的首位，农村为44.6%，城市为42.51%。因此，提高心血管疾病的防治水平是我国面临的一个重要任务。研发和采用新型诊疗技术就是重要的途径之一。

2.3D打印在心血管疾病中的应用

过去的几十年里，3D打印已经在医疗中得到广泛应用，包括用于植入物和组织设计、手术规划、医学研究以及医学教育和培训工具。3D打印在心血管疾病中的应用包括：（1）3D打印个性化模型，帮助确定复杂结构性心脏病的手术方案，提高手术疗效；（2）3D打印植入物，如血管支架、导管等；（3）3D打印细胞与组织，如血管、组织工程心脏瓣膜等。

2.1 打印医学模型

利用心脏病的3D打印模型改善介入和手术方案，有助于减少辐射暴露、提高手术效率和病人的安全。采用核磁共振、胸部CT和3D超声心电图，可获得患者特异性心血管系统的各种成像模式图像数据，在此基础上利用逆向工程技术建立标准的数字化3D心血管系统模型，然后使用3D模型复制软件提取出个体化数字模型和导出3D打印机可识别的STL格式文件，经3D打印机即可打印出精确的3D模型。将不同成像模式获得的3D数字模型整合到同一平台的混合3D打印和虚拟3D打印模型，有望推动未来的个性化心脏医学[5]。

二尖瓣关闭不全是全球范围内最常见的心脏瓣膜疾病，二尖瓣瓣膜的解剖结构和病理生理性质非常复杂，导致很多患者得不到满意的治疗。以医学图像为基础创建精确的患者特定的3D计算机模型，然后转换为3D打印的实体模型，可以对欲进行介入治疗患者的二尖瓣解剖结构和术前状态进行精确评估，特别是对患者植入部位和介入瓣支架之间的相互影响进行评估[6]。

主动脉弓发育不全的患者的支架置入术技术上非常有挑战性，目前主要依赖于术者的技能和专业知识来防止支架移位和头颈部血管部分阻塞并发症。例如，利用患者MRI数据以选择性激光烧结法打印出主动脉弓发育不全患者待修复的主动脉缩窄3D模型。医生可以先在主动脉弓发育不全的3D打印模型上进行血管支架植入模拟，随后根据各项参数进行血管支架的正式植入。临床结果证实，利用3D打印模型对支架植入最佳位置、支架尺寸及长度的评估和选择，对正式介入操作是非常有用的。此外，3D打印模型与MRI和X射线血管造影图像均具有良好的一致性，3D打印模型可精确再现患者的解剖结构，并在横拱发育不全患者的支架置入术中起到关键作用[7]。

3D打印还可用于评价二尖瓣植入后的患者状况，植入二尖瓣后获得患者的3D全体积超声心动图图像。用3D建模软件分析高品质的二尖瓣舒张结构，数据输出为STL文件，然后用喷墨印刷3D打印技术打印出模具，之后用柔性硅胶填充以模拟血液流体。采用此模型并用超声换能器可获得瓣膜运动的连续多普勒曲线以及心室和心房压力曲线。从这些测量数据可计算出压力减半时间和二尖瓣开口面积。该模型可精确显示患者的解剖血流动力状况，并有潜力检测收集主动脉瓣膜梯度数据[8]。

在动脉瘤的切除和封堵器的植入方面，3D打印也有很成功的实例。例如，在曾接受过A型夹层的升主动脉和主动脉弓置换术的一个50岁HIV主动脉瘤患者，其升主动脉血管入口前方存在一个狭长的孔，根据患者的128张CT数据并用光固化快速成型3D打印技术制造了该患者的心脏模型，并在体外进行动脉瘤模拟切除手术操作和封堵器植入，并根据此3D模型成功进行了动脉瘤的切除和封堵器的植入[9]。Opolski等人以4例复杂主动脉瘤患者（1例腹部、1例胸部及1例双侧髂总动脉瘤）的CT冠脉造影图像为基础，利用喷墨印刷3D打印技术以液体树脂为原材料精确再现了患者的病灶部位，并据此成功地进行了手术方案的规划[10]。

Son等人报道了利用熔融沉积成型3D打印技术制备医学模型并用于进行诊断和手术方案设计的其他成功案例。例如，一位42岁女性房间隔处贲门良性神经鞘瘤患者，其胸部超声、心电图和CT检查显示其心包膜上有巨大肿块压迫右心房、上腔静脉（SVC）、左心房和肺上静脉。MRI检测确认肿瘤起源于心脏或纵隔，但结果不能十分肯定。为了确定手术方案，使用熔融沉积成型3D打印技术制备出患者的心脏模型，体外模拟手术并确认胸骨切开后进行肿瘤切除方法是可行的。在正式手术中房间隔中的巨大肿瘤（的起源）得到了确认，并根据术前规划的方案切除了肿瘤。这一病例显示3D打印医学模型对确定帮助诊断和确定最佳的手术方案是非常有用的[11]。

Maragiannis等人使用喷墨印刷技术3D融合两种材料构建了8例重度主动脉瓣狭窄（6个三尖瓣和2个二尖瓣）患者的模型。他们首先利用CT图像数据对感兴趣的组织部位和类型进行了选取和鉴别。然后用硬材料打印钙化区，橡胶类材料打印流出道、主动脉根部和非钙化的瓣膜等这些软组织结构。7种不同体外心搏量条件下用多普勒和Gorlin法检测模型的瓣口面积、超声心动图图像质量和主动脉瓣狭窄严重程度。结果表明，该模型可重现局灶钙化性主动脉瓣狭窄的结构。结合高分辨率CT、计算机辅助设计软件和多材料融合3D打印技术，患者的个性化病理模型可精确重现患者的严重退行性主动脉瓣狭窄的解剖结构和功能特性[12]。

Deferm等人报道了1例先天性肺动脉瓣闭锁和主肺动脉侧支动脉（major aortopulmonary collateral arteries，MAPCA）Fallot四联症患者治疗的案例。该患者童年时期接受了左右侧MAPCA集合手术，即通过改良的左侧和右侧的Blalock–Taussig导管把MAPCA与体循环连接，患者成年后因导管尺寸偏小导致右心室压力增加，为了减轻右心室压力需要再次做手术，该手术的难点在于必须明确底部肺循环及其与支气管树的关系。为此他们以患者的CT数据为基础，利用熔融沉积成型3D打印技术制备出患者的病变处模型，并根据此模型进行了成功的手术。术后再次打印出模型以评估疗效，术后检测显示所有导管已连接至远端肺循环，右心室压力显著降低[13]。

3D打印模型还可用于帮助房间隔缺损（ASD）封堵器的植入。下腔型房间隔缺损（ASD）植入的封堵器由于缺乏支撑导致封堵器极易脱落。Yang等人以超声心动图和CT数据为基础制备，3D打印制备了一位8岁先天性下腔型ASD心脏病患者的心脏模型。模型显示，ASD斜行于右上、下肺静脉下方，并直接与下腔静脉相通。在该模型上模拟使用了不同型号的封堵器进行试封堵并最终选择合适型号的封堵器进行正式手术。术后复查显示封堵器位置固定、形态良好[14]。

根据3D打印出的患者的个体化3D模型可以更好地了解复杂的心脏或血管解剖结构，帮助进行诊断和术前进行手术模拟，还有助于与患者沟通，从而大大减少医生的手术难度和提高患者满意度，同时还会缩短手术时间和提高治疗效果。使用3D模型进行复杂手术的术前模拟还会避免手术并发症。打印出术后的3D模型还可对患者的术后结果进行充分评估。

2.2 打印植入物

在心血管领域，3D打印植入物处于起步阶段，但其潜力不可低估。例如，在可吸收血管支架领域，3D打印技术展示了其巨大的潜力。

Wang等人首先报道了采用3D打印技术制备了一种螺旋结构的外周可吸收PLLA药物洗脱支架。这是一种从原材料到血管支架的一步成型方法。具有速度快、材料利用率高等优点。测试结果表明支架具有足够的径向支撑力，并且可以被压握到球囊导管上和撑开释放[15]。Shi等人进一步报道了采用此3D打印技术制备的PLLA雷帕霉素药物洗脱外周血管支架。结果表明此支架与上市的金属药物洗脱支架具有相似的径向支撑力和药物释放性能[16]。Zheng等人最近报道了采用3D打印技术制备的PLLA雷帕霉素药物洗脱冠脉支架的动物（猪）实验结果。结果表明，3D打印的雷帕霉素PLLA可吸收冠脉血管支架与已上市的金属钴铬合金雷帕霉素药物洗脱支架具有相似的安全性。3D打印的可吸收支架在长期抑制血管腔内再狭窄方面可能更有优势[17]。

由于3D打印技术材料利用率高，只需要很少量的原材料就可以打印，因此特别适用于制备和评价新型血管支架和新材料。Kaesemeyer等人利用此3D打印出的第四代完全可降解药物涂层支架不仅具有支架功能，而且其携带的药物具有治疗受损内皮和预防支架内血栓形成的功能。他们合成了一种丙交酯、乙交酯、ε-己内酯和洛伐他汀（重量比为60:15:10:15）的共聚物，采用3D打印技术将此共聚物打印成血管支架。据称，这种第四代生物可降解支架在起到血管支撑作用的同时还能够为血管腔损伤部位的修复和血栓抑制提供多种药物，包括支架表面的涂层药物和降解产生的洛伐他汀[18]。

2.3 3D打印组织工程化心血管产品

早期利用喷射成形3D打印机可以制造出细胞和蛋白质芯片[19]。之后挤出沉积成型3D打印技术又被用于制备单一血管和复杂几何形状的血管通路。透明质酸-明胶水凝胶被用于制备血管。其基本原理是首先将水凝胶与细胞混合，然后利用挤出3D打印技术打印出心脏瓣膜和管道结构，水凝胶的软硬度可以调节以便制造出适合不同类型细胞的生长环境[20]。研究人员已经开始探索利用挤出沉积成型3D打印技术制备高度有序的血管网络，从而引导内皮细胞网络中生长形成血管。这一领域的研究将对血管组织再生产生极大的推动作用[21]。

制备组织工程前体结构时，经常遇到的问题是组织工程前体组织结构内部的细胞由于缺乏营养而死去。因此为组织结构内的细胞生长提供可进行营养灌注的通路非常必要。Miller等人首先提出碳水化合物混合物（葡萄糖、蔗糖、葡聚糖）冷却到玻璃态时是透明的，因此可以和光交联材料结合。他们这种碳水化合物通过加热的注射器挤入制备成立体网状支架（见图1-A），然后将10T1/2细胞和光交联ECM预聚物的混合物灌注到这种碳水化合物支架的孔洞中，进行光交联后将整块组织结构块浸入水中，碳水化合物支架迅速溶解，留下一个互通的通道网络。经体外组织培养后，他们发现互通的灌注网相邻的细胞表型不变且能高密度表达蛋白质组，灌注到此网络的人脐静脉内皮细胞还可生长并连接形成双相组织样结构（见图1-B）[22]。Lu等人也构建了与天然血管相似的3D打印的管道网络结构[23]。

透明质酸甲酯：甲基丙烯酸明胶是一种新型可用于3D打印的复合生物材料。它能用于制备类似血管通道的含细胞管状水凝胶结构。这种新型水凝胶的特点是其生物相容性，采用3D打印可将此细胞与材料的混合物打印成管状结构[24]。

图1. 3D打印的玻璃状碳水化合物框架（A）人脐静脉内皮细胞图像（红色）和10T1/2细胞（绿色）位于纤维蛋白凝胶的血管网内、bar=1mm

另一个应用是利用3D打印技术制备组织工程心脏瓣膜。例如可以首先打印出多孔网格状海藻酸钠/明胶水凝胶，之后把主动脉根平滑肌细胞（SMC）和主动脉瓣膜间质细胞（VIC）混合后以1X107个细胞/ml的密度接种到网格状支架中。体外培养7天后可见其中存在活性SMC和VIC（SMC和VIC的细胞活性率分别为84.6±5.1%和86.0±4.0%）。培养期间，不含细胞的水凝胶支架的弹性、强度和断裂伸长率均降低，但载有细胞的水凝胶支架的拉伸力学性能保持不变。支架硬基质内的SMC高表达α-平滑肌肌动蛋白，软基质内的VIC高表达波形蛋白（α-平滑肌肌动蛋白和波形蛋白的表达率分别为81.4 ±3.4%和83.2 ± 4.0%），这些结果证实3D打印可以制备具有解剖学结构的主动脉瓣膜，而且瓣膜根部和瓣叶中分别含有活性SMC和VIC[25]。Duan等人使用3D生物打印技术，采用海藻酸钠、明胶水凝胶和两种特定细胞打印出了类似主动脉瓣的解剖结构。主动脉窦平滑肌细胞和主动脉瓣间质细胞分别存在于主动脉瓣和主动脉根部位。对承载细胞的支架结构7天后评价其机械性能和细胞的存活率。该3D打印过程中细胞存活率达到92.1±2.5%，支架的杨氏模量逐渐下降，支架降解，支架的顺应性增加，形成了更加仿生的主动脉瓣组织结构[20]。

3D打印能够克服传统的采取组织工程支架进行细胞培养的缺点，能够很容易打印出在不同部位含有不同细胞成分的结构。因此，在组织工程心脏瓣膜研究方面受到重视[26]。

虽然3D打印在医学领域还处于起步应用阶段，但各种3D打印模式的研究已经展示了3D打印的医学应用潜力。目前3D打印发展的瓶颈在于3D打印机的打印速度、适用于3D打印的生物相容性材料和打印成本。因此，研发更高打印速度的3D打印技术和适用的材料是未来发展的方向。采用快速光固化树脂可以将打印速度提高数倍。还有，从3D打印的原理上进行改进也是提高打印速度的一条路径。例如，采用新型可快速切换的具有不同孔径的喷头和多材料打印技术，在运行中改变喷头的直径和材料成分，在固定材料厚度和高度的位置采用大喷头打印，提高打印速度，在需要改变材料和需要精细结构的位置采用小口径喷头，从而可以大大提高3D打印的整体速度。

[1] Mosadegh B, Xiong G, Dunham S, Min JK. Current progress in 3D printing for cardiovascular tissue engineering. Biomed Mater. 2015,10(3):034002.

[2] Rengier F, Mehndiratta A, von Tengg-Kobligk H, Zechmann CM, Unterhinninghofen R, Kauczor HU, et al. 3D printing based on imaging data:review of medical applications. Int J Comput Assist Radiol Surg 2010,5:335-341

[3] Michalski MH, Ross JS. The shape of things to come:3D printing in medicine. JAMA 2014,312:2213-2214

[4] Gross BC, Erkal JL, Lockwood SY, Chen C, Spence DM. Evaluation of 3D printing and its potential impact on biotechnology and the chemical sciences. Anal Chem 2014,86:3240-3253

[5] Kurup HK, Samuel BP, Vettukattil JJ. Hybrid 3D printing:a game-changer in personalized cardiac medicine? Expert Rev Cardiovasc Ther. 2015,13(12):1281-4.

[6] Vaquerizo B, Theriault-Lauzier P, Piazza N. Percutaneous Transcatheter Mitral Valve Replacement:Patient-specifc ThreedimensionalComputer-based Heart Model and Prototyping. Rev Esp Cardiol. 2015,68(12):1165-73.

[7] Valverde I, Gomez G, Coserria JF, Suarez-Mejias C, Uribe S, Sotelo J, Velasco MN, Santos De Soto J, Hosseinpour AR, Gomez-Cia T. 3D printed models for planning endovascular stenting in transverse aortic arch hypoplasia. Catheter Cardiovasc Interv. 2015,85(6):1006-12.

[8] Mashari A, Knio Z, Jeganathan J, Montealegre-Gallegos M, Yeh L, Amador Y, Matyal R, Saraf R, Khabbaz K, Mahmood F. Hemodynamic Testing of Patient-Specifc Mitral Valves Using a Pulse Duplicator:A Clinical Application of Three-Dimensional Printing. J Cardiothorac Vasc Anesth. 2016,pii:S1053-0770(16)00018-5.

[9] Sodian R, Schmauss D, Schmitz C, Bigdeli A, Haeberle S, Schmoeckel M, Markert M, Lueth T, Freudenthal F, Reichart B, Kozlik-Feldmann R. 3-dimensional printing of models to create custom-made devices for coil embolization of an anstomotic leak after aortic arch replacement. Ann Thorac Surg. 2009,88(3):974-8.

[10] Ana Cristina Opolski, Bruna Olandoski Erbano, Nicolle Amboni Schio, Yorgos Luiz Santos de Salles Graca, Giovanna Golin Guarinello, Priscila Machado de Oliveira, Andre Giacomelli Leal, José Aguiomar Foggiatto, Luiz Fernando Kubrusly. Experimental Three-Dimensional Biomodel of Complex Aortic Aneurysms by Rapid Prototyping Technology. 2014,1(2):88-94.

[11] Son KH, Kim KW, Ahn CB, Choi CH, Park KY, Park CH, Lee JI, Jeon YB. Surgical Planning by 3D Printing for Primary Cardiac Schwannoma Resection. Yonsei Med J. 2015,56(6):1735-7.

[12] Maragiannis D, Jackson MS, Igo SR, Schutt RC, Connell P, Grande-Allen J, Barker CM, Chang SM, Reardon MJ, Zoghbi WA, Little SH. Replicating Patient-Specifc Severe Aortic Valve Stenosis With Functional 3D Modeling. Circ Cardiovasc Imaging. 2015,8(10):e003626.

[13] Deferm S, Meyns B, Vlasselaers D, Budts W. 3D-Printing in Congenital Cardiology:From Flatland to Spaceland. J Clin Imaging Sci. 2016,30; 6:8.doi:10.4103/2156-7514.

[14] Yang F, Zheng H, Lyu J, Yang X, Yang Y, Pang Y, Liang F, Zhang G, Xu Z, Jiang S, Lyu B, Meng F, Hao B. A case of transcatheter closure of inferior vena cava type atrial septal defect with patent ductus arteriosus occlusion device guided by 3D printing technology. Zhonghua Xin Xue Guan Bing Za Zhi. 2015,43(7):631-3.

[15] Yantian Wang, Nick Wang, Wing Lau, and Qing Liu , “Totally Bioresorbable Polymer Peripheral Stents Fabricated Using A Non-Laser Cut Fabrication Process, ” June 1-5,2012,Chengdu, China.

[16] Shi G, Wang N, Lau W, Liu Q. Bioabsorbable Stents Made by Rapid Fabrication System. Society For Biomaterials Annual Conference, Boston, MA. April 10-13,2013 (oral presentation) .

[17] Bo Zheng, Ming Chen, et al. A novel three-dimensional printed sirolimus-eluting bioresorbable vascular scaffold evaluatedby optical coherence tomography in a porcine model. ESC Congress, Roma, Italy, 2016,Aug 27- 31.

[18] Kaesemeyer WH, Sprankle KG, Kremsky JN, Lau W, Helmus MN, Ghatnekar GS. Bioresorbable polystatin fourth-generation stents. Coron Artery Dis. 2013,24(6):516-21.

[19] Wilson WC Jr, Boland T. Cell and organ printing 1:protein and cell printers. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol. 2003,272(2):491-6.

[20] Duan B, Kapetanovic E, Hockaday L A, Butcher J T. Three-dimensional printed trileafet valve conduits using biological hydrogels and human valve interstitial cells. Acta Biomater. 2014.10(5):1836-46.

[21] Omnidirectional printing of 3D microvascular networks. Wu W, DeConinck A, Lewis JAAdv Mater. 2011 Jun 24; 23(24):H178-83.

[22] Miller JS, Stevens KR, Yang MT, Baker BM, Nguyen DH, Cohen DM, Toro E, Chen AA, Galie PA, Yu X, Chaturvedi R, Bhatia SN, Chen CS. Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues. Nat Mater. 2012,11(9):768-74.

[23] Lu Y, Chen S. Projection printing of 3-dimensional tissue scaffolds. Methods Mol Biol. 2012; 868():289-302.

[24] Skardal A, Zhang J, McCoard L, Xu X, Oottamasathien S, Prestwich GD. Photocrosslinkable hyaluronan-gelatin hydrogels for two-step bioprinting. Tissue Eng Part A. 2010 Aug; 16(8):2675-85.

[25] Duan B, Hockaday LA, Kang KH, Butcher JT. 3D bioprinting of heterogeneous aortic valve conduits with alginate/gelatin hydrogels. J Biomed Mater Res A. 2013,101(5):1255-64.

[26] Laura Ann Hockaday, Bin Duan, Kevin Heeyong Kang, Jonathan Talbot Butcher. 3D- Printed Hydrogel Technologies for Tissue - Engineered Heart Valves. 3D printing. 2014,1(3):122-36.

Applications of 3D Printing Technology in Cardiovascular Field

ZHANG LI1 LIU Qing1WANG Chun-ren2
1 Beijing Advanced Medical Technologies,Ltd Inc. (Beijing 100085)
2 National Institutes for Food and Drug Control (Beijing 102269)

With the advances in both medical imaging and 3D reconstruction technologies, 3D printing has gained much attention in biomedical feld. This article reviewed the applications of 3D printing technology in cardiovascular feld, including the applications in making medical models, implants and tissue engineering constructs.

3D printing, cardiovascular disease, CAD, MRI

1006-6586(2017)03-0016-06

R318.08

A

2016-11-24

张丽，博士；刘青，博士；王春仁，通讯作者，博士