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Fallstudie

Das Potenzial des 3D-Drucks für synthetisches Myokard.

1. Februar 2020

The potential for 3D printing synthetic myocardium.
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Realismus neu definiert: Wie sich 3D-gedrucktes Gewebe wie echt anfühlt Im Herzen der Innovation: Für Chirurgen entwickelte, vernähbare Gefäßmodelle Von der Planung bis zur Praxis: Wie Chirurgen am SJD-Krankenhaus den 3D-Druck nutzen

Biomedizinische Tests bestätigen die Möglichkeit, mit dem Stratasys J750 Digital Anatomy-Drucker synthetisches Myokard im 3D-Druck herzustellen.

Einleitung

Zu den kardiologischen Anwendungsbereichen von 3D-gedruckten patientenspezifischen Modellen (PSMs) gehören die chirurgische Ausbildung, die Planung komplexer Eingriffe sowie die Entwicklung oder Optimierung von Herzimplantaten. Da strukturelle Herzinterventionen immer komplexer werden, gewinnt die Fähigkeit, die patientenspezifische Geometrie sowie die Wechselwirkung von Implantaten innerhalb und um diese Geometrie herum effektiv zu modellieren, für die Weiterentwicklung chirurgischer Eingriffe zunehmend an Bedeutung. Bislang lag der Schwerpunkt der PolyJet™-3D-Drucktechnologie und anderer herkömmlicher anatomischer Modellierungsmethoden auf der Erzielung einer präzisen äußeren anatomischen Geometrie und Optik. Die nächste Herausforderung bei 3D-gedruckten PSMs ist die Simulation der biomechanischen Eigenschaften von menschlichem Gewebe.
Perfecting surgical skills with Tissue Matrix

Ziel

Um die physiologische Reaktion von natürlichem Herzgewebe – einschließlich Gefäßwänden, Herzkammerwänden und Herzklappensegeln – nachzubilden, untersuchte Stratasys in Zusammenarbeit mit Herstellern von Medizinprodukten, weltweit führenden Forschungseinrichtungen, Krankenhäusern und medizinischem Fachpersonal das mechanische Verhalten der einzelnen Strukturen. Die Ergebnisse dieser Studien wurden zur Entwicklung von Software und Materialien genutzt, mit denen sich diese Eigenschaften simulieren lassen. Wissenschaftler und Ingenieure von Medtronic, einem weltweit führenden Hersteller von Medizinprodukten, führten einen unabhängigen Vergleich der Digital-Anatomy-Myokardmaterialien mit Schweineherzgewebe durch. Im Folgenden werden die Ergebnisse zusammengefasst und die Implikationen für die zukünftige Arbeit in der Materialentwicklung dargelegt.

Methoden

Die mechanischen Eigenschaften von Schweine-Myokard wurden mit denen eines breiten Spektrums von Mischungen aus 3D-gedrucktem Myokardmaterial verglichen (Tabelle 1). Schweine-Myokard wurde aufgrund seiner Ähnlichkeit mit menschlichem Gewebe, seiner Verfügbarkeit und seiner bisherigen Verwendung in präklinischen Tests von Herzimplantaten als Vergleichsbasis gewählt. Alle Proben wurden auf dem 3D-Drucker Stratasys J750™ Digital Anatomy™ gedruckt.
Perfecting surgical skills with Tissue Matrix
Table 1 - Digital Anatomy Myocardium Material Properties

Wichtigste Ergebnisse: Nachgiebigkeit

Die Materialeigenschaften von Digital Anatomy lagen entweder im gleichen Nachgiebigkeitsbereich wie das Schweine-Myokard oder waren starrer. Bei anatomisch relevanten Dicken entsprachen die Werte der Steifigkeit der gedruckten Digital-Anatomy-Proben denen der meisten Herzkammern des Schweineherzens (Abbildung 1).
Small Pin - Load vs. Extension

Variabilität der Compliance

Das Schweine-Myokard wies von Kammer zu Kammer sowie innerhalb jeder Kammer erhebliche Schwankungen in der Compliance auf (Abbildung 2). Im Gegensatz dazu waren die Proben von Digital Anatomy äußerst konsistent (Abbildung 3).
Small Pin - Load vs. Extension Porcine Myocardium
Large Pin - Load vs. Extension for Printed Material

Elastizität

Die Elastizität wurde für jede der gedruckten Proben gemessen, um das Biege-
und Zugverhalten zu ermitteln. Die Elastizitätsmodule der gedruckten Materialien lagen zwischen 0,262 und 0,536 MPa, wobei Agilus im Vergleich zu den Verbundmaterialien am wenigsten elastisch war. Darüber hinaus war die Standardabweichung für jeden getesteten Materialtyp gering, was ein hohes Maß an Sicherheit dafür bot, dass sich die gedruckten Proben jedes Mal gleich verhalten würden (Tabelle 2).
Table 2 - Analogue of Young's Modulus Values for Printed Materials

Durchstoßprüfung

Sowohl bei „Digital Anatomy“ als auch beim Schweine-Myokard zeigten sich ähnliche Versagensmechanismen. Bei beiden wurde eine anfängliche Spitzenkraft gemessen, als die erste Schicht mit hoher Zähigkeit durchstochen wurde; beim Gewebe war dies das Endokard, bei den „Digital Anatomy“-Proben die erste Agilus-Schicht.

Prüfung von Nahtmaterial

Die Nahtmaterialien durchschneiden das gedruckte Material leichter als Schweinegewebe. Dies ist jedoch auch
auf die spezielle Nahtkonfiguration zurückzuführen, die verwendet wurde, um ein vorzeitiges Reißen der gedruckten Proben zu verhindern. Bei Anwendung standardmäßiger Nahttechniken wäre das gedruckte Material bereits vor der Prüfung versagt. Unabhängig davon zeigten sowohl das Gewebe als auch das gedruckte Myokard vor dem Versagen eine Delaminierung.

Schlussfolgerung

3D-gedruckte Materialien von Digital Anatomy bieten großes Potenzial für die Herstellung patientenspezifischer Herzmuskelgewebe mit präzisen mechanischen Eigenschaften, die Geschlecht, Alter, ethnische Zugehörigkeit sowie weitere physiologische und pathologische Merkmale berücksichtigen. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass die Herstellung patientenspezifischer, gewebeähnlicher Herzmodelle mit sowohl geometrischer als auch mechanischer Genauigkeit mit dem Stratasys J750 Digital Anatomy-Drucker, der dazugehörigen Software und dem Material möglich ist. Insbesondere zeigt das Digital-Anatomy-Verbundmaterial vielversprechende Eigenschaften hinsichtlich seiner Fähigkeit, die Compliance von Schweinegewebe konsistent und mit minimalen Abweichungen nachzubilden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil angesichts der großen Variabilität der Compliance bei Schweineproben, die aus demselben Bereich des Herzens entnommen wurden.

Bei der Entwicklung neuer Geräte und dem Verständnis ihrer Funktionsweise ist die Wiederholbarkeit zwischen Proben
und Testzeitpunkten von großer Bedeutung, um Störvariablen zu minimieren. Das mit Digital Anatomy
mit dem Digital-Anatomy-Drucker hergestelltes Myokard weist eine hohe Wiederholbarkeit der Werte der Steifigkeit sowohl innerhalb derselben mehrfach getesteten Probe als auch zwischen den Proben auf. Dies stellt einen erheblichen Vorteil für Hersteller von Medizinprodukten dar, die Modelle für Laborversuche suchen, um zuverlässige und konsistente Ergebnisse mit minimaler Variabilität zu erzielen. Es eignet sich daher für Anwendungen in der Produktentwicklung, bei denen Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind.
Table 3 - Summary of Printed Myocardium Comparison to Porcine Tissue
Zukünftige Arbeiten werden darauf ausgerichtet sein, die Naht- und Schneideigenschaften der Materialmischungen von „Digital Anatomy“ zu verbessern, um sie besser an die Nachgiebigkeit von natürlichem Gewebe anzupassen. Stratasys wird weiterhin mit führenden Herstellern medizinischer Geräte, Krankenhäusern und Forschungseinrichtungen zusammenarbeiten, um die Materialien von „Digital Anatomy“ mit natürlichem Gewebe und Knochen zu vergleichen. Die von diesen Organisationen bereitgestellten Daten werden genutzt, um neue anatomische Anwendungen zu perfektionieren, die den biomechanischen Eigenschaften der menschlichen Anatomie im gesunden und erkrankten Zustand noch besser entsprechen. Ziel ist es, den Bedarf an Leichen- und Tiermodellen letztendlich ganz zu beseitigen oder zumindest auf ein Minimum zu reduzieren.

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