تبدو القلوب الروبوتية المطبوعة ثلاثية الأبعاد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وتضخها تمامًا مثل الشيء الحقيقي
نماذج القلب الروبوتية اللينة خاصة بالمريض ويمكن أن تساعد الأطباء في التركيز على أفضل غرسة للفرد.
لا ينبض قلبان على حد سواء. يمكن أن يختلف حجم وشكل القلب من شخص لآخر. يمكن أن تكون هذه الاختلافات واضحة بشكل خاص للأشخاص الذين يعانون من أمراض القلب، حيث تعمل قلوبهم وأوعيتهم الرئيسية بجهد أكبر للتغلب على أي وظيفة معرضة للخطر.
يأمل مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في مساعدة الأطباء على تصميم علاجات تناسب شكل ووظيفة القلب الخاصة بالمرضى، بقلب آلي مخصص. طور الفريق إجراء للطباعة ثلاثية الأبعاد لنسخة متماثلة ناعمة ومرنة من قلب المريض. يمكنهم بعد ذلك التحكم في عمل النسخة المتماثلة لتقليد قدرة ضخ الدم لدى المريض.
يتضمن الإجراء أولاً تحويل الصور الطبية لقلب المريض إلى نموذج كمبيوتر ثلاثي الأبعاد، والذي يمكن للباحثين بعد ذلك طباعته ثلاثية الأبعاد باستخدام حبر يعتمد على البوليمر. والنتيجة قشرة ناعمة ومرنة على شكل قلب المريض بالضبط. يمكن للفريق أيضًا استخدام هذا الأسلوب لطباعة الشريان الأورطي للمريض – الشريان الرئيسي الذي ينقل الدم من القلب إلى باقي الجسم.
لتقليد عمل ضخ القلب، قام الفريق بتصنيع أكمام تشبه أصفاد ضغط الدم تلتف حول القلب المطبوع والشريان الأورطي. يشبه الجانب السفلي من كل كم غلاف فقاعي منقوش بدقة. عندما يتم توصيل الكم بنظام هوائي، يمكن للباحثين ضبط الهواء المتدفق لتضخيم فقاعات الكم بشكل إيقاعي وتقلص القلب، محاكية بذلك عملية الضخ.
يمكن للباحثين أيضًا نفخ غلاف منفصل يحيط بالشريان الأورطي المطبوع لتضييق الوعاء. ويقولون إن هذا الانقباض يمكن ضبطه لتقليد تضيق الأبهر – وهي حالة يضيق فيها الصمام الأبهري، مما يؤدي إلى عمل القلب بجهد أكبر لدفع الدم عبر الجسم.
يمكن التحكم في عمل النماذج الروبوتية اللينة لتقليد قدرة المريض على ضخ الدم. الائتمان: ميلاني جونيك، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
عادةً ما يعالج الأطباء تضيق الأبهر عن طريق زرع صمام اصطناعي جراحيًا مصممًا لتوسيع الصمام الطبيعي للشريان الأورطي. في المستقبل، يقول الفريق إنه من المحتمل أن يستخدم الأطباء إجراءاتهم الجديدة لطباعة قلب المريض والشريان الأورطي أولاً، ثم زرع مجموعة متنوعة من الصمامات في النموذج المطبوع لمعرفة أي تصميم ينتج عنه أفضل وظيفة ويناسب هذا المريض بعينه. يمكن أيضًا استخدام النسخ المقلدة للقلب من قبل مختبرات الأبحاث وصناعة الأجهزة الطبية كمنصات واقعية لاختبار العلاجات لأنواع مختلفة من أمراض القلب.
يقول لوكا روزاليا ، طالب دراسات عليا في برنامج MIT-Harvard في العلوم الصحية والتكنولوجيا: “كل القلوب مختلفة”. هناك اختلافات هائلة، خاصة عندما يكون المرضى مرضى. ميزة نظامنا هي أنه يمكننا إعادة إنشاء ليس فقط شكل قلب المريض، ولكن أيضًا وظيفته في كل من علم وظائف الأعضاء والمرض “.
أعلن روزاليا وزملاؤه عن نتائجهم في دراسة ظهرت اليوم في مجلة Science Robotics. يشمل المؤلفون المشاركون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Caglar Ozturk ، و Debkalpa Goswami ، و Jean Bonnemain ، و Sophie Wang ، و Ellen Roche ، جنبًا إلى جنب مع Benjamin Bonner من مستشفى Massachusetts العام ، و James Weaver من جامعة Harvard ، و Christopher Nguyen ، و Rishi Puri ، و Samir Kapadia في Cleveland Clinic. في ولاية أوهايو.
طباعة وضخ
في كانون الثاني (يناير) 2020، طور أعضاء الفريق، بقيادة أستاذة الهندسة الميكانيكية إيلين روش، ” قلبًا هجينًا حيويًا حيويًا ” – نسخة طبق الأصل عامة للقلب، مصنوعة من عضلة اصطناعية تحتوي على أسطوانات صغيرة قابلة للنفخ، يمكن التحكم فيها لتقليد تقلصات القلب. قلب حقيقي ينبض.
بعد هذه الجهود بوقت قصير، أجبر جائحة Covid-19 مختبر روش، إلى جانب معظم الآخرين في الحرم الجامعي، على الإغلاق مؤقتًا. واصلت روزاليا ، دون رادع، التغيير والتبديل في تصميم ضخ القلب في المنزل.
تتذكر روزاليا “لقد أعدت إنشاء النظام بأكمله في غرفة النوم الخاصة بي في شهر مارس”.
بعد أشهر، أعيد افتتاح المختبر، واستمر الفريق من حيث توقف، وعملوا على تحسين التحكم في كم ضخ القلب، الذي اختبروه في نماذج حيوانية وحاسوبية. ثم قاموا بتوسيع نهجهم لتطوير الأكمام والنسخ المقلدة للقلب الخاصة بالمرضى الفرديين. لهذا، تحولوا إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد.
“هناك الكثير من الاهتمام في المجال الطبي باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لإعادة إنشاء تشريح المريض بدقة لاستخدامه في التخطيط والتدريب قبل العلاج،” يلاحظ وانغ، وهو طبيب مقيم في جراحة الأوعية الدموية في مركز Beth Israel Deaconess الطبي في بوسطن.
تصميم شامل
في الدراسة الجديدة، استفاد الفريق من الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج نسخ طبق الأصل مخصصة لقلوب المرضى الفعليين. استخدموا حبرًا قائمًا على البوليمر يمكن، بمجرد طباعته ومعالجته، الضغط والتمدد، على غرار القلب النابض الحقيقي.
استخدم الباحثون كمصدر للمسح الطبي لـ 15 مريضًا تم تشخيص إصابتهم بتضيق الأبهر. حوّل الفريق صور كل مريض إلى نموذج حاسوبي ثلاثي الأبعاد للبطين الأيسر للمريض (غرفة الضخ الرئيسية للقلب) والشريان الأورطي. قاموا بتغذية هذا النموذج في طابعة ثلاثية الأبعاد لتوليد غلاف ناعم ودقيق تشريحيًا لكل من البطين والأوعية.
قام الفريق أيضًا بصنع أكمام لف حول الأشكال المطبوعة. لقد صمموا جيوب كل غلاف بحيث، عند لفها حول أشكالها وتوصيلها بنظام ضخ هواء صغير، يمكن ضبط الأكمام بشكل منفصل لتقلص النماذج المطبوعة بشكل واقعي وتقييدها.
أظهر الباحثون أنه بالنسبة لكل نموذج قلب، يمكنهم بدقة إعادة إنشاء نفس ضغوط ضخ القلب والتدفقات التي تم قياسها سابقًا في كل مريض.
يقول روش: “كانت القدرة على التوفيق بين تدفقات المرضى والضغوط أمرًا مشجعًا للغاية”. نحن لا نطبع تشريح القلب فحسب، بل نكرر أيضًا آلياته وعلم وظائف الأعضاء. هذا هو الجزء الذي نشعر بالإثارة تجاهه “.
للمضي قدمًا، سعى الفريق إلى تكرار بعض التدخلات التي خضع لها عدد قليل من المرضى، لمعرفة ما إذا كان القلب والأوعية المطبوعة تستجيب بنفس الطريقة. تلقى بعض المرضى غرسات صمامات مصممة لتوسيع الشريان الأورطي. زرعت روش وزملاؤها صمامات مماثلة في الشريان الأورطي المطبوع على غرار كل مريض. عندما قاموا بتنشيط القلب المطبوع لضخه، لاحظوا أن الصمام المزروع ينتج تدفقات محسنة مماثلة كما في المرضى الفعليين الذين يتبعون عمليات الزرع الجراحية.
أخيرًا، استخدم الفريق قلبًا مطبوعًا مدفوعًا لمقارنة عمليات الزرع ذات الأحجام المختلفة، لمعرفة أيها سيؤدي إلى أفضل ملاءمة وتدفق – وهو أمر يتصورون أن الأطباء يمكن أن يفعلوه لمرضاهم في المستقبل.
يقول المؤلف المشارك نجوين: “سيحصل المرضى على صورهم، وهو ما يفعلونه على أي حال، وسنستخدم ذلك لصنع هذا النظام، بشكل مثالي خلال اليوم”. “بمجرد أن يتم تشغيله وتشغيله، يمكن للأطباء اختبار أنواع وأحجام مختلفة من الصمامات ومعرفة أيها يعمل بشكل أفضل، ثم استخدامها في عملية الزرع.”
في النهاية، يقول روش إن النسخ المتماثلة الخاصة بالمريض يمكن أن تساعد في تطوير وتحديد العلاجات المثالية للأفراد ذوي الأشكال الهندسية القلبية الفريدة والصعبة.
يقول روش: “قد يؤدي التصميم الشامل لمجموعة كبيرة من التشريح، واختبار التدخلات عبر هذا النطاق، إلى زيادة السكان المستهدفين الذين يمكن معالجتهم من أجل الإجراءات الأقل بضعاً”.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
