没有两颗心脏的跳动是相同的。心脏的大小和形状可能因人而异。对于患有心脏病的人来说，这些差异可能特别明显，因为他们的心脏和主要血管更努力地工作以克服任何受损的功能。麻省理工学院（MIT）的工程师们希望通过一个定制的机器人心脏，帮助医生根据患者的具体心脏形态和功能进行治疗。
该团队已经开发出一种程序，可以3D打印出病人心脏的柔软和灵活的复制品。然后他们可以控制该复制品的行动，以模仿该病人的血液泵送能力。
该程序包括首先将病人心脏的医学图像转换成一个三维计算机模型，然后研究人员可以使用一种基于聚合物的墨水进行3D打印。其结果是一个柔软、灵活的外壳，与病人自己的心脏形状完全相同，研究小组还可以用这种方法来打印病人的主动脉--将血液从心脏输送到身体其他部位的大动脉。
为了模仿心脏的泵送动作，该团队制作了类似于血压袖套的袖子，包裹着打印的心脏和主动脉。每个袖子的底面都类似于精确图案的气泡膜。当套筒连接到一个气动系统时，研究人员可以调整流出的空气，使套筒的气泡有节奏地膨胀，并收缩心脏，模仿其泵送动作。
研究人员还可以给一个围绕着打印的主动脉的独立套筒充气，以收缩该血管。他们说，这种收缩可以被调整为模仿主动脉狭窄--一种主动脉瓣变窄的情况，导致心脏更努力地工作以迫使血液通过身体。
医生们通常通过手术植入一个合成瓣膜来治疗主动脉狭窄，旨在拓宽主动脉的天然瓣膜。该团队表示，在未来，医生有可能使用他们的新程序，首先打印出病人的心脏和主动脉，然后将各种瓣膜植入打印的模型中，以观察哪种设计对该特定病人的功能和适应性最好。研究实验室和医疗设备行业也可以使用这些心脏复制品，作为测试各种类型心脏病疗法的现实平台。
"所有的心脏都是不同的，"麻省理工学院-哈佛大学健康科学与技术项目的研究生Luca Rosalia说。"它们有大量的变化，特别是当病人生病的时候。我们系统的优势在于，我们不仅可以重现病人的心脏形态，还可以重现其在生理和疾病方面的功能。"
在这项新的研究中，该团队利用3D打印技术来生产实际病人的心脏的定制复制品。他们使用了一种基于聚合物的墨水，一旦打印和固化，就可以挤压和拉伸，类似于真正跳动的心脏。
作为他们的原始材料，研究人员使用了15名被诊断为主动脉瓣狭窄的患者的医疗扫描。研究小组将每个病人的图像转换成病人的左心室（心脏的主要泵房）和主动脉的三维计算机模型。他们将这个模型输入3D打印机，以生成一个柔软的、解剖学上准确的心室和血管外壳。
该团队还制作了袖子来包裹打印出来的模型。他们对每个套筒的口袋进行了定制，当包裹在各自的模型上并与一个小型空气泵系统相连时，套筒可以分别进行调整，以真实地收缩和紧缩打印的模型。
研究人员表明，对于每个心脏模型，他们可以准确地重现之前在每个病人身上测量的相同的心脏泵送压力和流量。
更进一步，该团队旨在复制少数患者所接受的一些干预措施，以观察打印的心脏和血管是否以同样的方式作出反应。一些患者已经接受了旨在拓宽主动脉的瓣膜植入。罗切和她的同事在以每个病人为模型的打印主动脉中植入了类似的阀门。当他们激活打印的心脏进行泵送时，他们观察到植入的瓣膜产生了类似于实际患者手术植入后的流量改善。
最后，该团队使用了一个激活的打印心脏来比较不同尺寸的植入物，看看哪一个会产生最佳的配合和流量--他们设想临床医生将来有可能为他们的病人做这些事情。
最终，病人特定的复制品可以帮助开发和确定具有独特和挑战性的心脏几何结构的个人的理想治疗方法。
为大范围的解剖结构进行设计，并在此范围内测试干预措施，可能会增加微创手术的目标人群。
罗萨利娅和他的同事在今天发表在《科学机器人》上的一项研究中报告了他们的成果。麻省理工学院的共同作者包括Caglar Ozturk、Debkalpa Goswami、Jean Bonnemain、Sophie Wang和Ellen Roche，还有麻省总医院的Benjamin Bonner、哈佛大学的James Weaver，以及俄亥俄州克利夫兰诊所的Christopher Nguyen、Rishi Puri和Samir Kapadia。