Onderzoekers van Washington State University hebben een 3D-geprint hartmodel ontwikkeld dat daadwerkelijk samentrekt en klopt. Het model kan chirurgen en geneeskundestudenten helpen bij het oefenen van hartoperaties op een realistische simulatie van het menselijk hart.
Het synthetische model bootst de volledige linkerhelft van het hart na en reageert dynamisch op ingrepen. De onderzoekers voerden zelfs een klepreparatie uit op het model, waarbij ultrasone beeldvorming en sensoren aantoonden dat de reparatie succesvol was. De resultaten van het onderzoek zijn ook gepubliceerd in Advanced Materials Technologies.
Realistische simulatie van een kloppend hart
Volgens Kaiyan Qiu, hoofdonderzoeker van de studie, biedt het model belangrijke voordelen voor chirurgische training. “Het is zeer nuttig voor artsen en chirurgen om te oefenen terwijl het hart nog klopt, vooral bij minimaal invasieve chirurgie.”
Het model is volgens de onderzoekers het eerste volledig synthetische systeem dat zonder gebruik van diermodellen de complete linker harthelft kan nabootsen. “In ons geval is dit model het eerste volledig synthetische model dat, zonder hulp van diermodellen, de volledige linkerzijde van het hart nabootst. We konden zowel de anatomische kenmerken als de dynamische functies integreren”, aldus Qiu.
Operatietraining zonder proefdieren
Hart- en vaatziekten zijn wereldwijd een belangrijke doodsoorzaak. In de Verenigde Staten ondergaan jaarlijks ongeveer 800.000 patiënten een hartoperatie. Naast grote chirurgische ingrepen worden ook veel minimaal invasieve procedures uitgevoerd, bijvoorbeeld voor het repareren van hartkleppen.
Training voor dergelijke ingrepen vindt vaak plaats met diermodellen of kadavers. Deze zijn echter niet patiëntspecifiek en kunnen meestal niet opnieuw worden gebruikt. Alternatief kunnen artsen de procedures virtueel oefenen via computersimulaties.
Volgens Alejandro Guillen Obando hebben bestaande synthetische modellen ook beperkingen. “Er bestaan andere synthetische modellen die meestal gegoten zijn in een mal. Een belangrijk nadeel daarvan is dat ze sommige van de complexere krommingen die je in het hart ziet niet goed kunnen nabootsen.”
Gedetailleerde anatomie
Voor het nieuwe model gebruikten de onderzoekers een scan van een echt hart om een replica van de linkerhart helft te 3D-printen. Deze kant van het hart staat onder de hoogste druk en pompt zuurstofrijk bloed door het lichaam.
Het model bevat een atrium, ventrikel en mitralisklep en heeft een zachte structuur die vergelijkbaar is met hartweefsel. Kleine pneumatische actuatoren zorgen ervoor dat het model samentrekt en bloed door het systeem pompt. Daarnaast zijn er draadachtige structuren toegevoegd die de beweging van de mitralisklep nabootsen.
Tijdens de simulaties stroomt een kunstmatige bloedvloeistof door het model. Sensoren registreren daarbij onder andere de ‘bloeddruk’ in de hartkamers. Volgens Guillen Obando maakt de gebruikte 3D-printtechniek het mogelijk om complexere vormen te creëren. “Onze gelaagde aanpak bij 3D-printen maakt het mogelijk om meer kromming toe te voegen en de hartkamers een realistischere vorm te geven.”
Test met mitralisklep-reparatie
Om het model te testen printten de onderzoekers eerst een defecte mitralisklep. Vervolgens voerden zij een reparatie uit met een hulpmiddel dat vergelijkbaar is met bestaande medische devices.
De sensoren in het model lieten zien dat de bloeddruk in het linkerventrikel na de ingreep toenam, wat erop wijst dat de klep weer goed sloot. Ook via echografie was zichtbaar dat het kunstmatige bloed niet meer terugstroomde in de hartkamer.
Volgende stap wordt een volledig 3D-geprint hartmodel
De onderzoekers hebben inmiddels een voorlopige patentaanvraag ingediend en werken aan een volgende stap: een volledig 3D-geprint hartmodel met vier kamers en vier kleppen.
Daarnaast willen zij in samenwerking met artsen en studenten het model verder ontwikkelen voor patiëntspecifieke preoperatieve training. Daarmee zou het mogelijk worden om verschillende hartklepaandoeningen vooraf realistisch te oefenen voordat een operatie bij een patiënt wordt uitgevoerd.
3D geprint hartmodel in Nederland
In het Catharina Hart- en Vaatcentrum worden sinds 2023 al met een 3D-printer realistische siliconenmodellen van het hart van patiënten gemaakt om complexe hartoperaties beter voor te bereiden. De modellen zijn gebaseerd op scans van het hart en vormen een nauwkeurige kopie van de anatomie van de patiënt. Waar eerder plastic werd gebruikt, maken artsen nu siliconenmodellen die soepeler zijn en meer lijken op echt orgaanweefsel.
Chirurgen kunnen het model gebruiken om vooraf de beste operatiestrategie te bepalen en het verloop van de ingreep te plannen. Daarnaast helpt het 3D-hart bij het uitleggen van de aandoening en behandelopties aan patiënten. Volgens de betrokken artsen maakt het tastbare model het gesprek in de spreekkamer duidelijker en helpt het patiënten om hun situatie beter te begrijpen.
