沒有兩顆心臟的跳動是相同的。心臟的大小和形狀可能因人而異。對於患有心髒病的人來說，這些差異可能特別明顯，因為他們的心臟和主要血管更努力地工作以克服任何受損的功能。麻省理工學院（MIT）的工程師們希望通過一個定制的機器人心臟，幫助醫生根據患者的具體心臟形態和功能進行治療。

該團隊已經開發出一種程序，可以3D打印出病人心臟的柔軟和靈活的複製品。然後他們可以控制該複製品的行動，以模仿該病人的血液泵送能力。

該程序包括首先將病人心臟的醫學圖像轉換成一個三維計算機模型，然後研究人員可以使用一種基於聚合物的墨水進行3D打印。其結果是一個柔軟、靈活的外殼，與病人自己的心臟形狀完全相同，研究小組還可以用這種方法來打印病人的主動脈–將血液從心臟輸送到身體其他部位的大動脈。

為了模仿心臟的泵送動作，該團隊製作了類似於血壓袖套的袖子，包裹著打印的心臟和主動脈。每個袖子的底面都類似於精確圖案的氣泡膜。當套筒連接到一個氣動系統時，研究人員可以調整流出的空氣，使套筒的氣泡有節奏地膨脹，並收縮心臟，模仿其泵送動作。

研究人員還可以給一個圍繞著打印的主動脈的獨立套筒充氣，以收縮該血管。他們說，這種收縮可以被調整為模仿主動脈狹窄–一種主動脈瓣變窄的情況，導致心臟更努力地工作以迫使血液通過身體。

醫生們通常通過手術植入一個合成瓣膜來治療主動脈狹窄，旨在拓寬主動脈的天然瓣膜。該團隊表示，在未來，醫生有可能使用他們的新程序，首先打印出病人的心臟和主動脈，然後將各種瓣膜植入打印的模型中，以觀察哪種設計對該特定病人的功能和適應性最好。研究實驗室和醫療設備行業也可以使用這些心臟複製品，作為測試各種類型心髒病療法的現實平台。

“所有的心臟都是不同的，”麻省理工學院-哈佛大學健康科學與技術項目的研究生Luca Rosalia說。”它們有大量的變化，特別是當病人生病的時候。我們系統的優勢在於，我們不僅可以重現病人的心臟形態，還可以重現其在生理和疾病方面的功能。”

在這項新的研究中，該團隊利用3D打印技術來生產實際病人的心臟的定制複製品。他們使用了一種基於聚合物的墨水，一旦打印和固化，就可以擠壓和拉伸，類似於真正跳動的心臟。

作為他們的原始材料，研究人員使用了15名被診斷為主動脈瓣狹窄的患者的醫療掃描。研究小組將每個病人的圖像轉換成病人的左心室（心臟的主要泵房）和主動脈的三維計算機模型。他們將這個模型輸入3D打印機，以生成一個柔軟的、解剖學上準確的心室和血管外殼。

該團隊還製作了袖子來包裹打印出來的模型。他們對每個套筒的口袋進行了定制，當包裹在各自的模型上並與一個小型空氣泵系統相連時，套筒可以分別進行調整，以真實地收縮和緊縮打印的模型。

研究人員表明，對於每個心臟模型，他們可以準確地重現之前在每個病人身上測量的相同的心臟泵送壓力和流量。

更進一步，該團隊旨在復制少數患者所接受的一些干預措施，以觀察打印的心臟和血管是否以同樣的方式作出反應。一些患者已經接受了旨在拓寬主動脈的瓣膜植入。羅切和她的同事在以每個病人為模型的打印主動脈中植入了類似的閥門。當他們激活打印的心臟進行泵送時，他們觀察到植入的瓣膜產生了類似於實際患者手術植入後的流量改善。

最後，該團隊使用了一個激活的打印心臟來比較不同尺寸的植入物，看看哪一個會產生最佳的配合和流量–他們設想臨床醫生將來有可能為他們的病人做這些事情。

最終，病人特定的複製品可以幫助開發和確定具有獨特和挑戰性的心臟幾何結構的個人的理想治療方法。

為大範圍的解剖結構進行設計，並在此範圍內測試干預措施，可能會增加微創手術的目標人群。

羅薩利婭和他的同事在今天發表在《科學機器人》上的一項研究中報告了他們的成果。麻省理工學院的共同作者包括Caglar Ozturk、Debkalpa Goswami、Jean Bonnemain、Sophie Wang和Ellen Roche，還有麻省總醫院的Benjamin Bonner、哈佛大學的James Weaver，以及俄亥俄州克利夫蘭診所的Christopher Nguyen、Rishi Puri和Samir Kapadia。