A replicated brain aneurysm image

信用:ELISA WASSON / LLNL

使用3D打印,LLNL团队在体外复制动脉瘤,并在印刷的动脉瘤上进行血管内修复程序,将导管插入血管中,并将铂在动脉瘤囊内的紧密包装铂卷。该团队将血浆引入动脉瘤并观察到线圈位于血凝凝块形式。绿色区域描绘了内皮细胞,红色表示形成的凝块。

脑动脉瘤每50个美国人的影响中的一个人产生影响,可以导致严重的医疗紧急情况,包括中风,脑损伤和死亡,如果他们爆裂。现有的治疗方案是有限的,通常是侵入性的,并且手术结果可能会因人的人而异。

但是,由于研究人员,医生可以改善现有的治疗方法并开发新的个性化的方法。 劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL) 和他们的外面的合作者。团队,包括科学家 杜克大学 和 Texas A&M,已成为第一个在人体外产生生物印刷的动脉瘤的生物,对其进行医疗程序并观察它在实际人类大脑中的反应和愈合。

如期刊中所述 生物制作,由工程师威廉“Rick”海恩斯和Monica Moya领导的LLNL团队能够通过3D印染血管与人类脑细胞复制体外的动脉瘤。 Hynes在印刷动脉瘤上进行了血管内修复程序 - 将导管插入血管中,并将铂卷材紧密包装在动脉瘤囊内。在包装治疗后,研究人员将血浆引入动脉瘤并观察到形成线圈所在的血凝块,从流体流中切断。研究人员还能够观察到血管内内皮细胞的“OP后”愈合过程。

Llnl科学家表示,该平台与计算机建模相结合,基于个体的血管几何,血压等因素,为开发动脉瘤特异性特异性的重要步骤,并有助于克服生物医学工程最大的障碍之一 - 这新的手术技术和技术从实验室跳到诊所所需要的时间。

“虽然有很多有前途的治疗方案,但有些还有很长的路要走,”该项目的主要调查员Moya说。 “动物模型不一定是尝试这些选择的最佳方法,因为它们缺乏对治疗效果的直接观察并具有无法控制的动脉瘤几何形状。具有这种稳健的,人体外测试平台可以帮助促进新的治疗方法。如果我们可以像我们需要使用这些设备一样复制动脉瘤,我们可能会帮助将其中一些产品加速到诊所,并基本上为患者提供更好的治疗方案。“

由动脉壁的弱化引起的,脑动脉瘤的特征在于脑中的“膨胀”或凸出的血管,并且如果它们破裂,可能会致命。一种常见的治疗是外科手术“剪切” - 将金属夹连接到动脉瘤的底部,以将血液流动重定向并保持其免于爆破。该程序非常侵入性,需要外科医生打开头骨并暴露大脑。在某些情况下,例如当动脉瘤位于大脑内不可访问的区域时,治疗甚至不是一个选择。

更常见和更少的侵入性治疗是血管内金属卷绕方法,外科医生饲喂薄金属导管 - 插入腹股沟中的动脉,通过主体并进入动脉瘤,用线圈或支架包装它并导致它凝块。内皮衬里血管的内皮血管在凝结的插头上生长,从距离脉管系统的其余部分围绕动脉瘤。研究人员表示,“卷绕”的缺点是,成功高度依赖于各种因素,包括患者血管的几何形状,这与下一个人不同,这是患者血管的几何形状。

要采取一些猜测动脉瘤治疗,Hynes,提出该项目的原始主张调查员,实现研究人员需要一种方法来验证更多预测的3D模型,以考虑患者几何。 HYNES表示,与人类细胞进行生物制版,允许研究人员创建与计算机模型相同的动脉瘤干预的生物相关实验模型,以便准确且容易地验证它们。

“我们看着问题,并认为如果我们可以配对计算建模和实验方法,也许我们可以提出一种治疗动脉瘤或选择可以最适合患者的治疗方法的更确定性的方法,”那些领导项目的Hynes说第一年。 “现在我们可以开始建立个性化模型的框架,即外科从业者可以用于确定治疗动脉瘤的最佳方法。”

Hynes said LLNL is taking a “three-pronged approach,” teaming with former LLNL scientist Duncan Maitland — who leads a biomedical engineering group at Texas A&M and also heads a company that develops an experimental shape memory coil for treating aneurysms — and Amanda Randles, a former Lab computational scientist and current 杜克大学 assistant professor who developed a code for simulating blood flow, called HARVEY. Using the device, Lab researchers were able to validate R和les’ flow dynamics model, verifying results that would be observed in the real world. At low flow rates, researchers saw little movement of blood into the aneurysm, whereas an increased flow rate, such as occurs when a person is agitated or nervous, resulted in a circular flow of blood throughout the aneurysm, as would be expected in a true brain aneurysm.

通过用“牺牲”墨水印刷血管几何形状,围绕基于蛋白质水凝胶的“牺牲”墨水来创建生物印刷的动脉瘤。他们冷却系统溶解墨水,留下血管系统的形状。然后它们引入了人脑内皮细胞,该细胞涂覆了通道,形成了实际的血管和动脉瘤。 Hynes进行了用微直伏和铂卷的卷绕过程,被认为是在人造活性组织上进行的第一个手术干预。手术后八天,研究人员观察到内皮开始愈合本身。

通过将3D印刷平台与计算模型组合,研究人员表示,他们开发了外科医生的潜在工具,以预先选择完全包装动脉瘤所需的最佳线圈类型,以导致最佳的治疗结果,并执行“测试运行”在尝试对人类患者身上之前的程序。

“基本上,临床医生可以看出某人的大脑扫描,通过建模软件运行它,并且该软件可以在治疗之前显示流体动力量,”海恩斯表示。 “它还应该能够模拟这种处理并允许从业者缩小到某种类型的线圈或包装体积,以确保最佳结果。”

通过用动脉瘤和对它们进行手术进行诱导动物进行验证动脉瘤的大多数计算模型。研究人员解释说,动物模型是不完善的,因为它很难收集它们的数据,并且它们的船舶几何形状并不可重复。科学家们还使用非生物学装置,如3D印刷的硅树脂管,可以控制血管几何形状,但结果可能不反映人类生物学。

研究人员说,与动物模型不同,LLNL的平台允许科学家们允许科学家直接测量血管内部和动脉瘤内的流体动力学,而是验证计算机模型的最佳世界。

“这是一个理想的平台,适用于Silico模型,因为我们可以使这些流量测量值得非常困难,如果您在动物中这样做,”Moya说。 “令人兴奋的是,这个平台模仿血管顺应性和脑组织的机械刚度。它也足够强大地处理卷绕手术。你看到船只会扩张和移动,但它能够承受这一程序 - 非常像你在体内。这使其成为外科医生或作为栓塞设备的体外测试系统的理想选择。“

除了患者特异性护理和作为外科培训的测试平台外,该平台还有可能改善对基本生物学和手术后愈合反应的理解。

虽然早期结果很有希望,研究人员警告说,在平台在临床环境中申请之前,还有很长的路要走。该团队的下一步是将LLNL计算工程师和纸张共同作者Jason Ortega开发的二维血凝凝血模型与Randles的3D流体动力学模型相结合,模拟了血压如何响应三维线圈。他们的目标是将传统的裸终线圈与Maitl和开发的实验形状记忆聚合物线圈进行比较,该模型设计用于在动脉瘤内部扩展,以促进更好的凝血和增强患者结果。 

The work was funded by the Laboratory Directed 研究 and Development program. Co-authors included Lindy Jang of Texas A&M University, Javier Alvarado and Elisa Wasson of LLNL, Marianna Pepona of 杜克大学 and L和on Nash of Shape Memory Medical.