AM易道导语：
在人类不断探索生命科学的进程中，心脏，这个维系生命的核心器官，一直是医学界最为关注的焦点。
如今，3D打印技术正在这片神圣的领域掀起一场技术变革—直接打印可植入人体的心脏瓣膜。
这不再是科幻电影中的场景，而是真实发生的技术突破。
近期，西澳大利亚大学Harry Perkins医学研究所Elena M. De-Juan-Pardo教授团队在《Trends in Biotechnology》发表的重要综述文章，系统梳理了这一惊人进展。
从最初的概念验证，到如今可以打印出具有生物活性的功能性心脏瓣膜，3D打印技术展现出前所未有的潜力。
AM易道认为，这项技术的重要性不仅在于其为每年超过18万例心脏瓣膜置换手术提供了新的解决方案，更在于它开创了3D打印技术直接介入人体最核心器官的先河。
通过立体光固化、直接墨水写入、生物打印等多种工艺的协同创新，科研人员正在突破过去认为不可能的界限，开启了一个全新的精准医疗时代。
挑战生命科学的极限
在人体内，每一次心跳都离不开心脏瓣膜的精确运作。这个看似简单的"单向阀"，实际上是一个极其精密的生物结构。
每天，一个健康的主动脉瓣要处理7600升血液流量，相当于填满三个标准游泳池的水量，年度开合次数更是达到惊人的3000-4000万次。
这些数字背后，展现的是大自然的鬼斧神工。
然而，这个精密的生物机械却并非永不故障。
临床数据显示，心脏瓣膜疾病影响着3.1%的成年人口。在所有瓣膜性疾病中，主动脉瓣狭窄占据47.2%，二尖瓣反流占24.2%，主动脉瓣反流占18.0%。
对于这些患者来说，瓣膜置换手术往往是唯一的治疗选择。
3D打印工艺的核心原理
当我们谈论3D打印心脏瓣膜时，实际上是在讨论多种精密制造工艺的协同应用。如下图所示，这些工艺各具特色：
光固化技术（Stereolithography，SLA）利用紫外光在充满光敏树脂的成型槽中逐层固化。
这种工艺可以实现极高的打印精度，特别适合制造具有复杂内部结构的瓣膜。
直接墨水写入技术（Direct Ink Writing，DIW）通过机械螺杆、活塞或气动系统挤出低粘度材料。
这种灵活的工艺特别适合多材料打印，尤其是在生物打印领域表现出色。
生物打印（Bioplotting）在类似密度的介质中进行材料沉积，这种独特的设计使得复杂的三维结构可以在无支撑的情况下成形。
这对于打印柔软的生物组织结构具有独特优势。
熔融静电纺丝（Melt Electrowriting，MEW）则通过静电力控制熔融聚合物的精确沉积，能够制造出亚微米级的纤维结构，这与天然心脏瓣膜的纤维结构极为相似。
3D打印技术的突破历程
下图展现了3D打印心脏瓣膜的技术进化图景。
2002年，首个3D打印心脏瓣膜问世，采用立体光固化（SLA）技术，使用PHOH和P4HB材料制造。
这个开创性成果虽然在力学性能上还有待提高，但开启了3D打印心脏瓣膜的先河。
在深入分析3D打印心脏瓣膜的性能之前，我们需要理解其评估标准。
根据国际标准化组织（ISO）制定的ISO 5840标准，心脏瓣膜的性能评估主要关注三个核心指标。
正如下图所示，这些指标深刻反映了人工心脏瓣膜的功能特性。
跨瓣压差（Transvalvular Pressure Gradient，TVPG）反映了血液通过瓣膜时的压力损失。
在一个心动周期中，当主动脉压力大于左心室压力时的平均压力差，直接反映了瓣膜对血流的阻力。
健康的主动脉瓣TVPG应低于10mmHg，如果超过40mmHg则提示严重狭窄。
有效开口面积（Effective Orifice Area，EOA）则衡量血液通过瓣膜的实际面积。
这一指标通过测量收缩期射血时的最窄截面积来计算。
值得注意的是，EOA总是小于或等于几何开口面积，在主动脉位置通常应达到总瓣膜面积的约30%。
总反流分数（Total Regurgitant Fraction，TRF）评估瓣膜关闭时的返流情况。
这包括正常的关闭容积和任何非预期的漏流。
在经导管瓣膜中，还需要考虑瓣膜外侧的副瓣漏。
| 3D printing method | Application | Components 3D printed | Materials | Printed cells |
|---|---|---|---|---|
| Stereolithography | TEHV | Valve | PHOH, P4HB | |
| TEHV | Valve | PEGDA, GelMA | CFs | |
| PHV | Valve + root | PAAm-PAA | ||
| PHV | Valve + root | NASC | ||
| Direct ink writing | TEHV | Valve | PEGDA, alginate | |
| TEHV | Valve | Alginate, gelatin | SMCs and VICs | |
| TEHV | Simplified valve | MeHA, MeGel | HAVICs | |
| TEHV | Valve | PCL | ||
| TEHV | Valve | Alginate, gelatin | VICs | |
| PHV | Valve + frame | Silicone | ||
| Bioplotting | TEHV | Valve + entire heart | Collagen | hESC-CMs |
| TEHV | Simplified valve | Collagen | rMSCs | |
| Melt electrowriting | TEHV | Valve | PCL, fibrin | |
| TEHV | Root | PCL | ||
| TEHV | Valve | PCL, ELR | ||
| TEHV | Leaflet interface | PCL | ||
| Fused filament fabrication | TEHV | Frame | PCL | |
| TEHV | Frame | TPC | ||
| PHV | Frame | TSPCU |
在这项前沿技术迈向临床应用的道路上，质量控制成为首要挑战。
根据ISO 13485医疗器械质量管理体系的要求，3D打印心脏瓣膜的生产过程需要建立严格的监控机制。
从表1和表2的数据可以看出，目前不同批次、不同工艺之间的性能波动仍然存在，这对于关乎生命安全的医疗器械而言是不可接受的。
生物相容性验证则是另一个关键环节。
虽然之前图片展示的多项研究显示了良好的体外细胞相容性，但血液接触环境下的长期安全性评估数据仍然不足。
从产业化角度来看，3D打印心脏瓣膜技术正处于关键的发展节点。
表2中的性能数据显示，某些3D打印瓣膜在血液动力学性能上已经达到甚至超越了现有商业产品。
然而，规模化生产过程中的良品率控制、生产效率提升以及成本控制等问题仍待解决。
有些问题是受打印技术本身所限，而有些问题可以通过智能化优化各种打印工艺参数，提高产品的一致性和可靠性。
同时，与许多三类医疗器械一样，建立健全的质量追溯体系，确保每个打印瓣膜都能满足临床使用标准。
百亿级市场的3D打印机会
根据Allied Market Research最新发布的《Prosthetic Heart Valve Market Research, 2035》报告显示，全球人工心脏瓣膜市场规模正迎来黄金发展期。
该市场在2023年达到86亿美元规模，预计到2035年将突破303亿美元，年复合增长率达11.1%。
这一增长态势背后，是全球心脏瓣膜置换手术需求的持续攀升。
仅在美国，每年就有超过18万例心脏瓣膜置换手术，约2%的人口受到瓣膜性心脏病的影响。
AM易道认为，3D打印的心脏瓣膜虽然还没有商用化，但其科研发展越来越临近临床应用。
随着人口老龄化加剧、心血管疾病发病率上升，加之各国医疗政策的支持和患者对微创手术需求的增加，3D打印心脏瓣膜技术很可能成为推动这个价值数百亿美元市场继续升级的因素之一。
特别是在亚太地区这个预计增长最快的市场，3D打印技术有望通过其独特的成本优势和个性化定制能力，开辟出一片全新的市场。
未来发展趋势展望
从3D打印心脏瓣膜的技术演进可以看出，多工艺协同正成为主流方向。
目前看来，MEW技术的精细化控制能力与生物打印的细胞组装能力相结合，有望创造出更接近天然结构的功能性瓣膜。
另一个值得关注的方向是材料科学的突破。
目前的研究已经证明，如文中表1所示的多种材料组合都展现出独特优势。
通过开发新型生物降解高分子、生物墨水等复合材料，提升植入物的生物相容性和力学性能；
其次是多材料智能制造，通过混合不同力学特性的材料，更好地模拟天然心脏组织的异质性结构。
更具前瞻性的是传感器的植入应用，通过将微型传感器整合到3D打印心脏瓣膜中，实现对植入物功能和生理参数的实时监测，为个性化治疗提供数据支持。
而基于CT、MRI等医学影像技术的患者特异性设计，结合有限元分析等计算模拟方法，则将显著提升植入物的设计精度和临床效果。
特别值得关注的是智能材料的应用前景，如形状记忆合金、响应性水凝胶等材料可以感知并响应外部刺激，实现药物释放和生理调节等功能，有望彻底改变心脏植入物的治疗模式。
这些创新将为心脏瓣膜疾病患者带来更加个性化和智能化的治疗方案。
尽管还没有进入临床试验的案例，面临诸多挑战，但从本文的综述来看，3D打印心脏瓣膜有望在未来彻底革新心血管疾病的治疗方式。
随着3D打印心脏瓣膜科研成果的每一次跳动，这个领域将被赋予更多的期待和耐心。
Reference：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779923003232#f0020
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10411854/
https://www.visiblebody.com/blog/what-is-heart-valve-disease
https://www.alliedmarketresearch.com/prosthetic-heart-valve-market
