3D-gedruckte Modelle sollen Erfolg von Herzklappen-OPs verbessern

Am Georgia Institue of Technology stellen Forscher 3D-gedruckte patientenspezifische Modelle her, um Kardiologen bei der Vorbereitung auf lebensrettende Herzklappen-OPs zu unterstützen. Ziel ist es die Erfolgsquote für Transkatheter Aortenkalppenersatz (TAVI) zu erhöhen.

Die 3D-gedruckten Modelle sollen Chirurgen bei der Auswahl der passenden Implantate helfen, um postoperative Komplikationen wie paravalvuläre Lecks (Blut fließt an der Aortenklappen vorbei zurück in die linke Herzkammer) zu vermeiden.

“Paravaskuläre Lecks sind extrem wichtige Indikatoren für das langfristige Ergebnis beim Patienten mit der neuen Klappe,” erklärt Zhen Qian, Leiter der Forschung für Cardiovascular Imaging am Piedmont Heart Institute. “Die Idee bestand darin, die patientenspezifischen, gewebeähnlichen Modelle, die nun mittels 3D-Drucktechnologie hergestellt werden können, in Verbindung mit den künstlichen Herzklappen vorab zu testen und mögliche Lecks vorherzusagen.”

Jährlich wird bei zehntausenden Patienten eine Herzklappenerkrankung diagnostiziert und TAVI ist meist der gewählte Eingriff für Patienten, bei denen ein erhöhtes Risiko für Komplikationen bei einer Operation am offenen Herz besteht. Künstliche Herzklappen werden in verschiedenen Größen von einer Reihe von Herstellern produziert. Lecks entstehen immer dann, wenn die neue Klappe nicht exakt passt und Blut rundherum durchfließen kann. Diese Komplikation zu vermeiden ist enorm wichtig für den langfristigen Erfolg des Eingriffs. Hier sollen zukünftig die 3D-gedruckten Modelle zum Einsatz kommen. Hergestellt auf einem Multi-Material 3D-Drucker, können Parameter und Materialeigenschaften exakt kontrolliert werden, um die physiologischen Eigenschaften des Gewebes so genau wie möglich nachzubilden.

“Unsere Methode diese Modelle mittels Metamaterial-Design und Multi-Material 3D-Druck herzustellen bezieht auch das mechanische Verhalten der Herzklappen mit ein, indem das natürliche Belastungs- und Aussteifungsverhalten des weichen Gewebes nachgeahmt wird.”

Diese Interaktion kann durch das Einbetten von wellenartigen, steifen Mikrostrukturen in das weichere Material während des Druckvorgangs simuliert werden. Die Modelle wurden außerdem mit röntgendichten Markierungen versehen um die Verlagerung des Materials zu messen. In einer Testumgebung mit Wasser auf Körpertemperatur testen die Forscher dann die künstlichen Herzklappen innerhalb der Modelle. Für diese Testverfahren wurden bildgebende Daten von 18 Patienten herangezogen, denen bereits ein künstlicher Herzklappenersatz eingesetzt wurde.

Mit Hilfe von Software wurden die Daten ausgewertet und die Forscher suchten nach Bereichen, in denen das Implantat nicht dicht genug abschließen konnte. Anhand eines damit erstellten Index konnten die Daten mit den tatsächlichen Ergebnissen der Patienten verglichen und so ein Zusammenhang gesehen werden. Je höher der Index der Modelle, desto höher war der Grad an paravalvuläre Lecks bei den Patienten.

“Die Ergebnisse der Studie sind ziemlich ermutigend,” sagt Qian. “Obwohl der Eingriff für künstlichen Herzklappenersatz bereits weit fortgeschritten ist, gibt es immer noch Fälle wo die Wahl einer anderen Größe oder eines anderen Herstellers des Implantats das Ergebnis verbessern kann. Die 3D-Drucktechnologie wird sehr hilfreich bei der richtigen Auswahl sein.”

Das Forscherteam rund um Qian will den Prozess nun weiter optimieren und den möglichen Einsatz von 3D-gedruckten Herzklappen bei der OP-Planung evaluieren.