Forscher verwenden 3D-gedruckte Blutgefäße, um Schlaganfälle zu untersuchen
Simulationen zeigen natürliche Blutflussmuster – lange Zeit als am schwierigsten zu reproduzieren angesehen
Laut der Universität Sydney könnten 3D-gedruckte Blutgefäße auf Glas, die die tatsächliche Gefäßanatomie und das Blutflussverhalten nachbilden, ein leistungsstarkes Instrument zum Verständnis von Schlaganfällen werden. Die in Advanced Materials veröffentlichte Studie liefert bereits Erkenntnisse und könnte Ärzten letztendlich dabei helfen, auf einzelne Patienten zugeschnittene Behandlungen zu testen.
„Wir drucken nicht nur Blutgefäße – wir drucken Hoffnung für Millionen von Menschen weltweit, die einem Schlaganfallrisiko ausgesetzt sind. Mit kontinuierlicher Unterstützung und Zusammenarbeit wollen wir personalisierte vaskuläre Medizin für jeden Patienten zugänglich machen, der sie benötigt“, sagte Doktorand Charles Zhao von der School of Biomedical Engineering.
Mit seinem Hintergrund als Maschinenbauingenieur nutzte Zhao sein Fachwissen im Bereich Strömungsdynamik, um sowohl gesunde als auch beschädigte Blutgefäße nachzubilden, einschließlich mikroskopisch kleiner Dellen und Vertiefungen, wie sie bei Schlaganfallpatienten zu finden sind. Anhand von CT-Scans als Vorlage miniaturisierte das Team Modelle der Halsschlagader auf 200 bis 300 Mikrometer (die tatsächliche Größe beträgt 5 bis 7 mm) und reduzierte die Herstellungszeit von 10 auf 2 Stunden. Anstelle von Harzformen, die langsam und fehleranfällig sind, druckten sie direkt auf Glasobjektträger und erzeugten so Strukturen, die empfindlichen Gravuren ähneln.
„Bei der Diagnose von Herzinfarkten und Schlaganfällen sind Geschwindigkeit und Genauigkeit entscheidend“, sagte Zhao, der erste Doktorand und Gründungsmitglied des Mechanobiology and Biomechanics Laboratory (MBL). „Ärzte haben in der Regel nach Auftreten der Symptome etwa 12 Stunden Zeit, um eine Entscheidung zu treffen.“
Die daraus resultierende „Arterie auf einem Chip“ ahmte erfolgreich echte Blutgefäße nach, und Simulationen zeigten natürliche Blutflussmuster – lange Zeit als der am schwierigsten zu reproduzierende Teil angesehen. Die Blutviskosität variiert von Patient zu Patient, was sich auf das Gerinnungsverhalten auswirkt. Dr. Zihao Wang, leitender Postdoktorand der MBL-Gruppe, merkte an, dass dieses „in Australien einzigartige bioingenieurwissenschaftliche Projekt“ darauf abzielt, wichtige Lücken in der Vorhersage von Herzerkrankungen ohne Verwendung von Tiermodellen zu schließen.
Während der Tests beobachteten die Forscher das Verhalten der Blutplättchen und die Gerinnselbildung in Echtzeit. In Bereichen mit höherer mechanischer Belastung – wie sie häufig bei Bluthochdruck und Arteriosklerose auftritt – zeigte sich eine sieben- bis zehnmal höhere Bewegung der Blutplättchen, ein entscheidender Faktor für das Schlaganfallrisiko.
Professor Arnold Ju erklärte, das Team habe einen „physischen Zwilling” der Blutgefäße von Patienten geschaffen. Helen Zhao fügte hinzu, dass der nächste Schritt die Integration von KI sei, um digitale Zwillinge zu erstellen, die einen Schlaganfall vor seinem Auftreten vorhersagen können: „Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der wir den CT-Scan eines Patienten nehmen, schnell ein Modell seiner Blutgefäße drucken, seine Blutreaktion testen und mithilfe von KI sein Schlaganfallrisiko Jahre im Voraus vorhersagen können.”
Die Arbeit vereint die School of Biomedical Engineering, das Charles Perkins Centre und das Heart Research Institute und wird von der Snow Medical Research Foundation und der National Heart Foundation unterstützt.
