Forscher der Georgia Tech drucken bioresorbierbare Herzklappen in 3D
Nach der Implantation werden die patientenspezifischen Klappen vom Körper resorbiert und durch neues Gewebe ersetzt, das die Funktion übernimmt, die das Gerät einst hatte
Nach Angaben der Georgia Tech wird jedes Jahr bei mehr als 5 Millionen Menschen in den USA eine Herzklappenerkrankung diagnostiziert – eine Erkrankung, für die es keine wirksame Langzeitbehandlung gibt. Wenn die Herzklappe eines Menschen durch einen Geburtsfehler, den Lebensstil oder den Alterungsprozess schwer geschädigt ist, wird der Blutfluss gestört. Bleibt die Krankheit unbehandelt, kann sie tödliche Komplikationen nach sich ziehen.
Klappenersatz und -reparatur sind die einzigen Methoden zur Behandlung schwerer Herzklappenerkrankungen, aber beide erfordern oft wiederholte Operationen, die teuer, störend und lebensbedrohlich sind. Die meisten Ersatzklappen werden aus tierischem Gewebe hergestellt und halten nur 10 bis 15 Jahre, bevor sie ersetzt werden müssen. Für pädiatrische Patienten gibt es nur sehr begrenzte Lösungen, die oft mehrere Eingriffe erfordern.
Jetzt haben Forscher der Georgia Tech eine 3D-gedruckte Herzklappe aus bioresorbierbaren Materialien entwickelt, die sich der individuellen Anatomie des Patienten anpasst. Nach der Implantation werden die Klappen vom Körper resorbiert und durch neues Gewebe ersetzt, das die Funktion übernimmt, die das Gerät einst hatte.
Die Erfindung stammt aus den Labors der Fakultätsmitglieder Lakshmi Prasad Dasi und Scott Hollister im Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering (BME) an der Georgia Tech und Emory.
„Diese Technologie unterscheidet sich stark von den meisten existierenden Herzklappen, und wir glauben, dass sie einen Paradigmenwechsel darstellt“, sagte Dasi, der Rozelle Vanda Wesley Professor in BME. „Wir bewegen uns weg von der Verwendung tierischer Gewebe, die nicht lange halten und nicht nachhaltig sind, hin zu einer neuen Ära, in der sich eine Herzklappe im Patienten selbst regenerieren kann.“
Dasi ist ein führender Forscher auf dem Gebiet der Herzklappenfunktion und -mechanik, während Hollister ein führender Experte auf dem Gebiet des Tissue Engineering und des 3D-Drucks für pädiatrische Medizinprodukte ist.
„In der Pädiatrie besteht eine der größten Herausforderungen darin, dass Kinder wachsen und ihre Herzklappen im Laufe der Zeit ihre Größe verändern“, so Hollister, der den Patsy and Alan Dorris Lehrstuhl für Pädiatrische Technologie und Professor für Biomedizintechnik am Georgia Institute of Technology innehat. „Aus diesem Grund müssen sich Kinder mehreren Operationen unterziehen, um ihre Klappen zu reparieren, während sie wachsen. Mit dieser neuen Technologie kann der Patient potenziell neues Klappengewebe wachsen lassen und muss sich in Zukunft nicht mehr um einen mehrfachen Klappenersatz kümmern.“
Obwohl es bereits 3D-gedruckte Herzklappen gibt und bioresorbierbare Materialien für Implantate verwendet wurden, ist dies das erste Mal, dass diese beiden Technologien kombiniert wurden, um ein Gerät mit einem resorbierbaren Material mit Formgedächtnis zu schaffen.
„Die Vision für das Projekt war von Anfang an, von der Einheitsgröße wegzukommen, die den Status quo bei der Entwicklung und Herstellung von Herzklappen darstellt, und ein patientenspezifisches Implantat zu entwickeln, das die derzeitigen Geräte überdauern kann“, sagte Sanchita Bhat, eine Wissenschaftlerin in Dasis Labor, die bereits als Doktorandin an dem Projekt beteiligt war.
Die anfängliche Forschung bestand darin, das richtige Material zu finden und verschiedene Prototypen zu testen. Die Herzklappe des Teams wurde aus einem biokompatiblen Material namens Poly(glyceroldodecandioat) in 3D gedruckt.
Die Klappe verfügt über ein Formgedächtnis, so dass sie gefaltet und über einen Katheter eingesetzt werden kann, anstatt am offenen Herzen operiert zu werden. Sobald sie implantiert ist und die Körpertemperatur erreicht hat, faltet sich die Klappe wieder in ihre ursprüngliche Form zurück. Das Material signalisiert dann dem Körper, dass er selbst neues Gewebe bildet, um das Implantat zu ersetzen. Das ursprüngliche Gerät wird innerhalb weniger Monate vollständig absorbiert.
Srujana Joshi, Doktorandin im vierten Jahr in Dasis Labor, hat eine wichtige Rolle beim Testen und Analysieren des Designs und der Leistung der Herzklappe gespielt. „Sobald man eine Idee für ein Implantat hat, ist eine Menge Feinabstimmung und Optimierung erforderlich, um das richtige Design, das richtige Material und die richtigen Herstellungsparameter zu finden“, sagte Joshi. „Es ist ein iterativer Prozess, und wir haben diese Aspekte in unseren Systemen getestet, um sicherzustellen, dass die Ventile das tun, was sie tun sollen.“
Bhat und Joshi testen derzeit die physikalische Haltbarkeit der Herzklappen sowohl mit Computermodellen als auch in Laborversuchen. Dasis Labor verfügt über eine Herzsimulationsanlage, die den physiologischen Bedingungen eines echten Herzens entspricht und die Druck- und Strömungsbedingungen des Herzens eines einzelnen Patienten nachahmen kann. Eine weitere Maschine testet die mechanische Haltbarkeit der Herzklappe, indem sie sie in kurzer Zeit Millionen von Herzzyklen unterzieht.
