Home Forschung & Bildung 3D-gedruckte Arterien ermöglichen Blutdrucküberwachung in Echtzeit

3D-gedruckte Arterien ermöglichen Blutdrucküberwachung in Echtzeit

Forscher der University of Wisconsin-Madison University (UW-Madison) haben 3D-gedruckte Blutgefäße entwickelt, die es Herzpatienten ermöglicht, ihren Blutdruck aus der Ferne zu überwachen.

Die implantierbaren röhrenförmigen Strukturen des Forscherteams senden piezoelektrische Impulse aus, welche die Patienten warnen, wenn ihr Blutdruck entweder zu hoch oder zu niedrig wird. Durch den Einsatz der neuen Geräte des Teams aus Wisconsin könnte das medizinische Personal nun in der Lage sein, potenziell tödliche Herzerkrankungen zu diagnostizieren und in einem früheren Stadium einzugreifen.

“Dieses künstliche Gefäss kann auf der Grundlage von Druckschwankungen elektrische Impulse erzeugen, die den Blutdruck im Gefäss ohne zusätzliche Stromquelle genau bestimmen können”, erklärte Xudong Wang, Professor an der UW-Madison. “Aufgrund seiner 3D-Geometrie wird das elektrische Pulsprofil in der Lage sein, zu erkennen, ob eine unregelmässige Bewegung aufgrund einer Blockade im Inneren in einem sehr frühen Stadium vorliegt.”

Die Gefäßersatzchirurgie wird immer häufiger angewandt. Um mit der steigenden Nachfrage Schritt halten zu können, ist ein neues, schnelles Produktionsverfahren erforderlich, und der 3D-Druck bietet eine schnellere, individuell angepasste Alternative zu herkömmlichen Guss- oder Abformtechniken.

Zwar können additiv gefertigte Blutgefäße schneller hergestellt werden als herkömmliche Transplantate, doch könnten sie dennoch Fehlfunktionen aufweisen, ohne dass der Patient irgendwelche prämonitorischen Symptome zeigt. Angesichts der Tatsache, dass 40 bis 60 Prozent der Gefäßimplantate innerhalb des ersten Jahres versagen, ist die Überwachung von Transplantaten in Echtzeit sowohl für das Überleben der Patienten als auch für die künftige Anwendung des 3D-Drucks in der Produktion von entscheidender Bedeutung.

Gegenwärtig werden die implantierten Blutgefäße über eine Reihe von Ultraschall- oder CT-Untersuchungsterminen überwacht, die jedoch nicht sehr kosten- oder zeiteffektiv sind. Kontrolluntersuchungen sind nicht nur invasiv, sondern meistens werden die Komplikationen auch zu spät erkannt, um noch rechtzeitig einzugreifen.

Mit dem Ziel, eine sicherere und weniger invasive Alternative zu herkömmlichen Gefäßüberwachungstechniken zu entwickeln, wandte sich das Madison-Team ferroelektrischen Materialien zu. Die polarisierten Verbundwerkstoffe eignen sich aufgrund ihrer piezoelektrischen Reaktionen ideal für Druck- und Bewegungsmessaufgaben, da sie durch die Bewegungen des menschlichen Körpers angetrieben werden können.

Um die Arterien herzustellen, druckte das Team eine polarisierte Röhre, die aus sinusförmigen Gittern mit einer Dicke von 0,2 mm besteht. Dann wurde biokompatible Silberpaste auf die Innen- und Außenseite aufgetragen, und die Struktur wurde in eine 2 mm dicke Hülle aus Polydimethylsiloxan (PDMS) eingeschlossen.

In Zug- und Biegetests wies die künstliche Arterie eine gewebeähnliche Dehnbarkeit und Flexibilität auf. Mit einem abgesenkten Zugmodul von 5,68 MPa und einem Biegemodul von 10,35 MPa wies das 3D-gedruckte Gefäß die Festigkeitsmerkmale menschlicher Arterien auf. Da die hergestellte Struktur nur aus biokompatiblen Komponenten (PVDF, KNN und PDMS) bestand, zeigte sie auch eine Zelllebensfähigkeit, die sie für eine zukünftige Implantation geeignet macht.

Mit Hilfe eines künstlichen Zirkulationssystems evaluierte das Team die Blutdruckerfassungsfähigkeit ihrer 3D-gedruckten Vene. Ein Aktuator, der mit einer pneumatischen Spritze verbunden ist, pumpt Flüssigkeit in die künstliche Arterie hinein und aus ihr heraus, wodurch eine periodische Druckänderung im Inneren hervorgerufen wird. Die Forscher simulierten dann die Symptome von Bluthochdruck und erhöhten die Blutflussrate um 40 bis 80 Prozent. Zwei benachbarte Spannungsspitzen wurden aufgezeichnet, was auf die Drucksensorfähigkeit der Arterien des Teams hinweist.

Den Forschern zufolge könnte ihre elektrisch geladene FDM-3D-Drucktechnik zur Herstellung einer Vielzahl intelligenter biologischer Systeme mit Echtzeit-Sensorfunktionen verwendet werden.

Die komplette Studie unter dem Titel “Multifunctional Artificial Artery from Direct 3D Printing with Built‐In Ferroelectricity and Tissue‐Matching Modulus for Real‐Time Sensing and Occlusion Monitoring” wurde kürzlich veröffentlicht.

Abonnieren Sie die wöchentlichen 3Druck.com-Newsletter. Jeden Montag versenden wir die wichtigsten Beiträge und Updates der Woche. Melden Sie sich jetzt kostenlos an.
Haben Sie einen Fehler entdeckt? Oder Anregungen und Ergänzungen? Bitte schicken Sie uns eine Nachricht.