3D打印深入人心如何攻克心脏病研究难题?

心脏病,又称“沉默杀手”。在世卫组织发布的《2019年全球卫生估计报告》中,当前全球十大死因里,心脏病就位列全球首要死因。

事实上,过去20年来,尽管心脏病的年龄标化死亡率自1990年来下降了33.5%,但随着发病趋势变化,其仍然凸显成为“头号杀手”。自2000年以来,心脏病死亡人数增加了200多万,2019年增至近900万。

心脏病的造成是脂肪和胆固醇组成的斑块会在血管壁上积聚,从而阻碍血液的流动。然而,当前研究然而不完全了解这些斑块如何在动脉和静脉中形成和聚集。基于此,近日,阿德莱德大学李佳纹博士和斯图加特大学SimonThiele博士使用3D微型打印技术开发了世界上最小的柔性血管内窥镜,成功破解了这一难题。

血管内窥镜以前,光纤内窥镜——尤其是基于光学相干层析成像(OCT)的内窥镜,是医学中不可缺少的工具。近十年来,OCT内窥镜越来越多地用于临床前研究和提高诊断准确率。

超微内窥镜可以大幅降低对微小的器官(例如,肺内细支气管和心脏冠状动脉)的损伤。一个具有高分辨率、大聚焦深度的OCT内窥镜可以获得很多重要的临床信息和应用。例如,在心血管内检测胆固醇结晶、薄纤维帽和巨噬细胞,从而预测病人突发心肌梗死的可能性。

然而,现有的OCT内窥镜制造方法(例如,用微型棱镜、GRIN透镜或者光纤透镜)无法同时实现微型化、高分辨率、消球面像差和消像散,只能在小范围内实现高分辨率,超过这个深度,由于像差等因素的影响,成像质量就大幅度降低。

为了突破这个技术瓶颈,研究人员通过使用双光子飞秒激光3D打印技术在光纤截面直接打印出超微自由曲面光学元件(外径约0.125毫米,见图2.b)并制成内窥镜(图2.c)。此超微光学元件不仅能避免对脆弱和狭窄的组织或器官的损伤,更重要的是可以通过3D打印的自由曲面实现像差消除,从而大幅提高成像质量。

通过使用此内窥镜,该团队在小鼠和人体血管样品中采集到易损动脉粥样硬化斑块的特征信息。这或将在未来成为精确评判病人病情、辅助介入治疗及活体病理研究等诸多领域的应用。而这一应用也将进一步帮助科学家更好地了解心脏病发作和心脏病进展的原因,并可以实现改善治疗和预防效果。

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