瓣膜性心臟病的發生率隨著年齡的增長而增加，其主要治療手段是瓣膜置換。而近年來微創介入治療的出現，改變了傳統的治療模式，讓外科手術的高危患者看到了曙光。3D 打印技術自 1990 年開始應用于醫學領域以來，發展迅速，憑借其精細化的還原技術，現已廣泛應用于多個外科學專業。但目前 3D 打印技術在心血管外科的應用仍處于起步階段，尤其在瓣膜性心臟病領域的應用更是少之又少。本文結合瓣膜性心臟病，就 3D 打印技術的基本原理、在瓣膜性心臟病診療中的優勢及臨床應用現狀進行綜述，并闡述目前存在的問題及展望未來發展方向。
引用本文： 林金利, 董柱, 鄭燕純, 王曉武. 3D 打印技術在瓣膜性心臟病診療中的應用. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2022, 29(2): 267-271. doi: 10.7507/1007-4848.202009068 復制
3D 打印技術（three-dimensional printing），又稱快速成型技術（rapid prototyping，RP）或增材制造技術（additive manufacturing，AM），是一種通過基于特定數字設計，將材料分層沉積來構建物理對象的工藝[1]，由 Charles Hull 于 1986 年發明[2]，最早是運用于工業制造領域，后來逐漸運用于醫學領域。其基本原理是采用 3D 噴墨打印，通過單層固化后分層加工與疊加成型相結合的方法，最終完成模型的制造[3]。個性化 3D 打印心臟模型的獲取通常需要先通過計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超聲心動圖等技術采集患者心血管的影像學數據，而這 3 種技術各有優劣，其中 CT 憑借高圖像質量和相對容易的圖像分割等優點使其成為 3D 打印最常用的源數據[4]。相對而言，MRI 對心臟軟組織成像較好，在心腔血流流速上存在優勢[5]且無輻射及造影劑的影響，但其空間分辨率不及 CT。近年來超聲心動圖也開始運用于 3D 心臟模型打印，雖然其組織分辨率不及前兩者且無法在 3D 空間上打印整個心臟，但它在心臟瓣膜及心腔內其它高速移動結構的可視化上，具有獨特的優勢[6]。目前還未見 3 種技術多模態數據融合的報道，但國內陳思楷等[7]采用超聲瓣膜圖像和 CT 心腔圖像拼接融合作為數據源，得到了更加清晰準確的 3D 打印心臟模型。通過上述方法獲取圖像數據后以醫學數字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式儲存，再導入 3D 圖像處理軟件（如 Mimics?3-matic?Vitrea 等），進行圖像分割及優化，減少其它因素（如呼吸、心跳）產生的干擾[8]，從而獲得心臟的 3D 計算機輔助設計（ computer-aided design，CAD）數據。而后將數據以標準鑲嵌式語言（standard tessellation language，STL）格式存儲，并通過CAD來對 STL 格式文件進行細化[9]，最后將細化后的 STL 文件導入 3D 打印機并打印出 3D 心臟模型。
目前常用于醫學領域的 3D 打印技術有光固化成型、熔融沉積制造、選擇性激光燒結成型、聚合物噴射技術、WJP（white jet process）白墨填充技術及 3D 生物打印技術[10]等。其中 WJP 白墨填充技術是當前最先進的 3D 打印技術之一，分辨率及打印精度較高，可實現快速精確打印，并且可滿足多材料、全色彩打印，尤其適合于 3D 心臟模型的打印[11]。隨著打印技術及打印材料的不斷進步，科學家們開始致力于 3D 生物打印。目前已有報道對血管[12]、皮膚[13]等組織進行 3D 打印，預示著 3D 打印技術開始邁入生物材料領域[14]，而這也是今后 3D 打印技術發展的一個重要方向。
1 3D 打印在瓣膜性心臟病診療中的應用
瓣膜性心臟病以二尖瓣及主動脈瓣病變為主，常見的有主動脈狹窄、二尖瓣關閉不全[15]。過去瓣膜病主要依靠外科手術，而近年來微創介入治療病例急劇增加。與心臟外科醫生相比，介入心臟病專家在介入治療中無法觸及或直視解剖結構，嚴重依賴于影像來了解復雜的解剖結構[16]。但傳統的影像學技術在準確描述瓣膜病具體解剖結構方面具有明顯的局限性，這尤其限制了瓣膜病介入治療的發展。臨床影像數據主要以 2D 方式呈現，即使是 3D 重建的圖像也不具備 3D 打印模型實物所具有的真實質感、空間體驗等獨特優勢。3D 打印技術有望跨越 2D 圖像與精細的 3D 模型之間的鴻溝[1]，并減少平面圖像轉換為 3D 圖像中丟失部分數據的現象所帶來的不可忽視的影響[17]。3D 打印心臟模型在心臟瓣膜病的圍手術期診治及病理生理學研究、臨床教學、醫患溝通等方面均有出色表現。
近年來 3D 打印心血管模型運用于心臟外科瓣膜手術已有報道。Daemen 等[18]通過經食管超聲心動圖（transesophageal echocardiography，TEE）對 10 例二尖瓣疾病患者的二尖瓣進行病變瓣膜的全動態 3D 視圖重建，并使用剛性塑料及硅酮粉末進行模型打印，清晰仿真的瓣膜模型為術前模擬提供了真實的縫合體驗，通過術前模擬和術中評估進行模型驗證。展示了剛性塑料和仿真硅酮二尖瓣復制的可行性。3D 打印技術在瓣膜性心臟病介入領域的運用相對外科手術更多，Hernández-Enríquez 等[19] 3D 打印 1 例嚴重主動脈瓣狹窄模型，為心臟病專家提供了經導管主動脈瓣置入術（transcatheter aortic valve implantation，TAVI）術前可視化的解剖結構和精準測量的數據。術后 3D 模型清楚地顯示了植入瓣膜的位置、主動脈瓣環的變化以及瓣周漏的部位。在經皮肺動脈瓣植入術（percutaneous pulmonary valve implantation，PPVI）中，由于右心室流出道的大小和形態的異質性限制了著陸區的適應性，臨床上只有 15% 具有肺動脈瓣置換指征的患者可以行 PPVI。Valverde 等[20]開展了首例運用“雙支架”技術通過純經皮入路的手術，打印 1 例 56 歲中年男性法洛四聯癥術后伴嚴重右心室擴張的心血管模型，在術前測試和模擬了基于該患者的個性化雙支架 PPVI 后，術中完全按術前模擬進行。術后肺血管造影及TEE顯示支架及 Melody 瓣膜放置合理，無滲漏及血栓等，為今后 PPVI 的開展提供了借鑒。在行主動脈瓣置換術時選擇經右前外側胸廓切開術，可以避免胸骨的破壞，但是這種手術入路中器械的軌跡會受到患者解剖結構及手術動作的影響。Wamala 等[21]打印了胸廓及心臟的 3D 模型，在實體模型上進行術前模擬及監測，結果說明使用 3D 打印模型可以精確地模擬右前外側開胸術進行微創主動脈瓣置換術并選擇最合適的手術入路。目前瓣中瓣植入術已經成為治療生物人工瓣膜衰竭的有效選擇[22]，Basman 等[23]在 3D 打印的術前指導和融合成像的術中指導下，對 1 例主動脈瓣置換術后并發人工瓣膜衰竭及多種心肺并發癥的 65 歲男性進行主動脈瓣內瓣膜置換術，瓣膜在術后 5 年內仍繼續表現出良好的功能，闡明了在適當的術前和術中指導下，經導管主動脈瓣內瓣膜置換術的可行性。
以上研究說明，3D 打印技術不僅在心臟瓣膜外科手術及瓣膜介入治療常規手術中有運用，在各類少見、疑難復雜病例中的運用也逐漸增加。該技術在手術入路的選擇、合適瓣膜的篩選、復雜解剖結構的展示、術前操作的模擬、準確的術中導航、手術效果的測評等方面均展現出了獨特的優勢。
3D 打印模型除在指導心臟瓣膜手術方面起一定的作用外，有文獻報道指出，其在術后并發癥的預測、嚴重程度的評估及并發癥的處理等方面均有所貢獻。Qian 等[24]開展了一項回顧性研究，3D 打印了 18 例經導管主動脈瓣置換術（transcatheter aortic valve replacement，TAVR）患者術前的個性化主動脈根部模型，并在該模型上模擬 TAVR 術，置入自擴張人工瓣膜，并對主動脈根部的應變進行測量，得到了環形凸出指數，用來評估模型中 TAVR 術后的環形應變不均勻性。與其它已知的可用來預測 TAVR 術后瓣同漏（paravalvular leak，PVL）的指標相比，環形凸出指數是中至重度 PVL 的唯一重要預測指標（曲線下面積≤95%，P<0.000 1）。說明了環形凸出指數在預測 TAVR 術后 PVL 的發生、嚴重程度和出現位置達到了較高的準確性。而對于術后并發癥的處理上，Kim 等[25]通過打印 1 例二尖瓣置換術后瓣周漏的心臟模型，指導手術路徑及合適封堵器的選擇，成功處理了術后瓣周漏情況，為近年來瓣膜置換術后相應并發癥的處理提供了一定的參考價值。
心臟瓣膜病的主要危害在于病變的瓣膜引起血流動力學改變，進而引起心腔結構變化，導致心臟功能障礙[26]。3D 打印的瓣膜除解剖復原外，也應具備在體外循環系統裝置模擬的正常心腔內壓力下，保持相對的彈性硬度、啟閉功能，實現解剖及功能的高度復原，從而輔助心臟瓣膜病的診療。武漢大學人民醫院周青團隊[27]回顧性收集3D-TEE非瓣膜病患者 10 例及二尖瓣病變患者 20 例，使用硅膠鑄模方式 3D 打印出柔性硅膠二尖瓣模型（用編織魚線模擬二尖瓣的腱索裝置）后依賴體外模擬循環系統（mock circulatory system，MCS）[28]實現瓣膜動態啟閉并采集血流動力學參數，再與先前在體測量的血流動力學參數做統計學分析。結果提示體內外差異無統計學意義（P>0.05），且一致性較高（r=0.76）。充分論證了 3D 打印動態二尖瓣模型及其功能復制的可行性。但其對二尖瓣狹窄程度、反流程度的定性評估仍有缺陷。Harb 等[29]3D 打印了 1 例 83 歲男性嚴重主動脈瓣狹窄患者的主動脈瓣模型，分別使用 Tango+材料及 VeroWhite 材料打印軟組織及鈣化組織，再將模型連接至模擬循環的流動回路脈沖裝置，得到的血流動力學參數與臨床超聲心動圖采集的數值非常相近，說明 3D 打印瓣膜性心臟病模型可實現瓣膜功能的模擬。但該試驗樣本量過小，在統計學方面仍存在局限性，需要后續試驗加以補充論證。
2 3D 生物打印在心臟瓣膜病中的應用
3D 打印心臟模型雖說可以實現心臟解剖結構及運動功能的重現，但仍不具備生物學活性。沒有生物學活性的人工瓣膜置入體內后無法生長且無法對周圍環境做出生物學反應，可能需要進行多次調整大小的手術并且終生抗凝治療。因此 3D 生物打印應運而生。目前 3D 生物打印方式主要有 3 種：噴墨（inkjet）、激光（laser）、擠壓（extrusion）[30]。
另外當前已有多種生物墨水用于 3D 生物打印，包括細胞懸浮液、載有細胞的水凝膠、微載體、細胞或組織球狀體和去細胞機制成分等[31]。不同的生物墨水適合不同類型組織的打印，例如生物活性水凝膠具有支持細胞黏附的能力，適用于心血管組織的 3D 生物打印[32]。目前 3D 生物打印模式大概可分為兩類。一類是需先進行生物支架打印。例如 Hockaday 等[33]采用添有藻酸鹽的聚乙二醇-二丙烯酸酯水凝膠，通過新興的 3D 打印光交聯技術快速打印出組織工程復雜的主動脈瓣膜支架，并置入豬主動脈瓣間質細胞，發現打印的主動脈瓣在長達 21 d 的時間里都能維持較高的細胞存活率。說明通過光交聯技術進行添加有藻酸鹽的水凝膠 3D 生物打印能快速制造出瓣膜支架，但由于細胞存活時間仍有限，還不具備很強說服力。Sodian 等[34-35]在這方面也做出過許多嘗試，從組織工程心臟瓣膜的研究到 3D 打印技術在瓣膜置換中的應用。早在 2002 年，Sodian 等[36]使用 3D 生物打印技術打印了組織工程心臟瓣膜并放入脈沖生物反應器中測試，發現瓣膜葉可以實現在亞生理和超生理流動條件下同步的啟閉，但也出現了輕度狹窄及反流情況。另一種方式是不通過生物支架，直接進行 3D 生物打印。Duan 等[37]使用基于擠壓技術的 3D 生物打印來制造具有細胞異質性的組織工程心臟瓣膜。通過藻酸鹽和明膠混合的水凝膠包裹豬主動脈平滑肌細胞（smooth muscle cell，SMC）和主動脈小葉間質細胞（valve stromal cells，VIC）直接進行瓣膜打印。靜態培養 7 d 后，SMC 和 VIC 仍有活性，并且兩種細胞分別高表達出 α-平滑肌肌動蛋白和波形蛋白。他們后續實驗又發現了調節水凝膠中甲基丙烯酸透明質酸和甲基丙烯酸明膠的比例能影響水凝膠的粘度和硬度，從而影響主動脈瓣膜間質細胞的生物學行為[38]。最后他們將主動脈瓣膜間質細胞加入了含有甲基丙烯酸透明質酸和甲基丙烯酸明膠的雜化水凝膠中進行 3D 生物打印，精準地復制了主動脈瓣，并發現主動脈瓣膜間質細胞在生物打印的瓣膜內保持了較高的活性，且通過沉積膠原和糖胺聚糖來重塑初始基質，顯示出類似體內的細胞擴散形態[39]。這一系列研究結果為通過 3D 生物打印來制作解剖學復雜且具有細胞異質性的心臟瓣膜提供了重要幫助。
3 挑戰和展望
3D 打印技術因其能夠打印異質性的且個性化的組織構造而為瓣膜性心臟病的診療提供了有力的支持。如前所述，目前已經取得了一定的成果，但仍存在許多挑戰：（1）靜態的 3D 模型難以完全反映真實動態的心臟特征；（2）局限于目前的 3D 打印技術及打印材料，3D 打印的瓣膜模型還不夠細致，精細度及質感跟真實瓣膜仍存在一定區別[40]；（3）制作模型所需時間過長，難以運用于急診手術的開展，并且所需費用較高[41]；（4）當前臨床的需求不只限于結構的可視化，同時也追求功能的復原，需要對瓣膜的血流動力學進行有效的評估[42]。而模型在體外模擬循環系統測試中，由于忽略了體內的生理環境，如激素調節、神經調節等，難以完全真實還原血流情況，且缺乏統一評估標準[27]；（5）缺乏具備交叉學科背景的專業技術人員，容易出現模型細節的還原錯誤[11]；（6）3D 打印的心臟瓣膜將來若要應用于人體內，經導管介入治療應是主要手段，3D 打印的瓣膜除了應具備良好的伸縮性，更應具備一定的耐用性和機械強度以及功能維持；（7）目前 3D 生物打印瓣膜仍處于起步階段，存在許多問題，如瓣膜的生物組織相容性、生理學活性、耐用性，瓣膜支架的可降解性，移植后的感染、免疫排斥反應及法律、倫理學等問題。未來研究可能集中在打印噴頭的設計及生物材料的改良研發。此外，瓣膜的體外評估尚缺乏標準。當前盡管已經研發出許多生物墨水，但是要打印具有生物學功能和合適機械強度的心臟組織仍然是一個巨大的挑戰[30]。
目前 3D 打印技術在心臟瓣膜性疾病領域已經取得了有目共睹的成果，它就像藝術一樣融入醫學，并且深刻影響著現有醫療模式[43]。雖然仍然面臨著眾多挑戰，但 3D 打印所提供的高精度、個性化、可觸及的模型在手術決策、醫患溝通、臨床培訓等方面有著傳統模式所不具備的獨特優勢。并且，隨著 3D 打印設備、打印材料、組織工程學技術的不斷突破，3D 打印技術在心臟瓣膜性疾病領域必將大放光芒。
利益沖突：無。
作者貢獻：林金利實施論文設計和撰寫；董柱和鄭燕純校對及修改論文；王曉武對論文進行指導和修改。
3D 打印技術（three-dimensional printing），又稱快速成型技術（rapid prototyping，RP）或增材制造技術（additive manufacturing，AM），是一種通過基于特定數字設計，將材料分層沉積來構建物理對象的工藝[1]，由 Charles Hull 于 1986 年發明[2]，最早是運用于工業制造領域，后來逐漸運用于醫學領域。其基本原理是采用 3D 噴墨打印，通過單層固化后分層加工與疊加成型相結合的方法，最終完成模型的制造[3]。個性化 3D 打印心臟模型的獲取通常需要先通過計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超聲心動圖等技術采集患者心血管的影像學數據，而這 3 種技術各有優劣，其中 CT 憑借高圖像質量和相對容易的圖像分割等優點使其成為 3D 打印最常用的源數據[4]。相對而言，MRI 對心臟軟組織成像較好，在心腔血流流速上存在優勢[5]且無輻射及造影劑的影響，但其空間分辨率不及 CT。近年來超聲心動圖也開始運用于 3D 心臟模型打印，雖然其組織分辨率不及前兩者且無法在 3D 空間上打印整個心臟，但它在心臟瓣膜及心腔內其它高速移動結構的可視化上，具有獨特的優勢[6]。目前還未見 3 種技術多模態數據融合的報道，但國內陳思楷等[7]采用超聲瓣膜圖像和 CT 心腔圖像拼接融合作為數據源，得到了更加清晰準確的 3D 打印心臟模型。通過上述方法獲取圖像數據后以醫學數字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式儲存，再導入 3D 圖像處理軟件（如 Mimics?3-matic?Vitrea 等），進行圖像分割及優化，減少其它因素（如呼吸、心跳）產生的干擾[8]，從而獲得心臟的 3D 計算機輔助設計（ computer-aided design，CAD）數據。而后將數據以標準鑲嵌式語言（standard tessellation language，STL）格式存儲，并通過CAD來對 STL 格式文件進行細化[9]，最后將細化后的 STL 文件導入 3D 打印機并打印出 3D 心臟模型。
目前常用于醫學領域的 3D 打印技術有光固化成型、熔融沉積制造、選擇性激光燒結成型、聚合物噴射技術、WJP（white jet process）白墨填充技術及 3D 生物打印技術[10]等。其中 WJP 白墨填充技術是當前最先進的 3D 打印技術之一，分辨率及打印精度較高，可實現快速精確打印，并且可滿足多材料、全色彩打印，尤其適合于 3D 心臟模型的打印[11]。隨著打印技術及打印材料的不斷進步，科學家們開始致力于 3D 生物打印。目前已有報道對血管[12]、皮膚[13]等組織進行 3D 打印，預示著 3D 打印技術開始邁入生物材料領域[14]，而這也是今后 3D 打印技術發展的一個重要方向。
1 3D 打印在瓣膜性心臟病診療中的應用
瓣膜性心臟病以二尖瓣及主動脈瓣病變為主，常見的有主動脈狹窄、二尖瓣關閉不全[15]。過去瓣膜病主要依靠外科手術，而近年來微創介入治療病例急劇增加。與心臟外科醫生相比，介入心臟病專家在介入治療中無法觸及或直視解剖結構，嚴重依賴于影像來了解復雜的解剖結構[16]。但傳統的影像學技術在準確描述瓣膜病具體解剖結構方面具有明顯的局限性，這尤其限制了瓣膜病介入治療的發展。臨床影像數據主要以 2D 方式呈現，即使是 3D 重建的圖像也不具備 3D 打印模型實物所具有的真實質感、空間體驗等獨特優勢。3D 打印技術有望跨越 2D 圖像與精細的 3D 模型之間的鴻溝[1]，并減少平面圖像轉換為 3D 圖像中丟失部分數據的現象所帶來的不可忽視的影響[17]。3D 打印心臟模型在心臟瓣膜病的圍手術期診治及病理生理學研究、臨床教學、醫患溝通等方面均有出色表現。
近年來 3D 打印心血管模型運用于心臟外科瓣膜手術已有報道。Daemen 等[18]通過經食管超聲心動圖（transesophageal echocardiography，TEE）對 10 例二尖瓣疾病患者的二尖瓣進行病變瓣膜的全動態 3D 視圖重建，并使用剛性塑料及硅酮粉末進行模型打印，清晰仿真的瓣膜模型為術前模擬提供了真實的縫合體驗，通過術前模擬和術中評估進行模型驗證。展示了剛性塑料和仿真硅酮二尖瓣復制的可行性。3D 打印技術在瓣膜性心臟病介入領域的運用相對外科手術更多，Hernández-Enríquez 等[19] 3D 打印 1 例嚴重主動脈瓣狹窄模型，為心臟病專家提供了經導管主動脈瓣置入術（transcatheter aortic valve implantation，TAVI）術前可視化的解剖結構和精準測量的數據。術后 3D 模型清楚地顯示了植入瓣膜的位置、主動脈瓣環的變化以及瓣周漏的部位。在經皮肺動脈瓣植入術（percutaneous pulmonary valve implantation，PPVI）中，由于右心室流出道的大小和形態的異質性限制了著陸區的適應性，臨床上只有 15% 具有肺動脈瓣置換指征的患者可以行 PPVI。Valverde 等[20]開展了首例運用“雙支架”技術通過純經皮入路的手術，打印 1 例 56 歲中年男性法洛四聯癥術后伴嚴重右心室擴張的心血管模型，在術前測試和模擬了基于該患者的個性化雙支架 PPVI 后，術中完全按術前模擬進行。術后肺血管造影及TEE顯示支架及 Melody 瓣膜放置合理，無滲漏及血栓等，為今后 PPVI 的開展提供了借鑒。在行主動脈瓣置換術時選擇經右前外側胸廓切開術，可以避免胸骨的破壞，但是這種手術入路中器械的軌跡會受到患者解剖結構及手術動作的影響。Wamala 等[21]打印了胸廓及心臟的 3D 模型，在實體模型上進行術前模擬及監測，結果說明使用 3D 打印模型可以精確地模擬右前外側開胸術進行微創主動脈瓣置換術并選擇最合適的手術入路。目前瓣中瓣植入術已經成為治療生物人工瓣膜衰竭的有效選擇[22]，Basman 等[23]在 3D 打印的術前指導和融合成像的術中指導下，對 1 例主動脈瓣置換術后并發人工瓣膜衰竭及多種心肺并發癥的 65 歲男性進行主動脈瓣內瓣膜置換術，瓣膜在術后 5 年內仍繼續表現出良好的功能，闡明了在適當的術前和術中指導下，經導管主動脈瓣內瓣膜置換術的可行性。
以上研究說明，3D 打印技術不僅在心臟瓣膜外科手術及瓣膜介入治療常規手術中有運用，在各類少見、疑難復雜病例中的運用也逐漸增加。該技術在手術入路的選擇、合適瓣膜的篩選、復雜解剖結構的展示、術前操作的模擬、準確的術中導航、手術效果的測評等方面均展現出了獨特的優勢。
3D 打印模型除在指導心臟瓣膜手術方面起一定的作用外，有文獻報道指出，其在術后并發癥的預測、嚴重程度的評估及并發癥的處理等方面均有所貢獻。Qian 等[24]開展了一項回顧性研究，3D 打印了 18 例經導管主動脈瓣置換術（transcatheter aortic valve replacement，TAVR）患者術前的個性化主動脈根部模型，并在該模型上模擬 TAVR 術，置入自擴張人工瓣膜，并對主動脈根部的應變進行測量，得到了環形凸出指數，用來評估模型中 TAVR 術后的環形應變不均勻性。與其它已知的可用來預測 TAVR 術后瓣同漏（paravalvular leak，PVL）的指標相比，環形凸出指數是中至重度 PVL 的唯一重要預測指標（曲線下面積≤95%，P<0.000 1）。說明了環形凸出指數在預測 TAVR 術后 PVL 的發生、嚴重程度和出現位置達到了較高的準確性。而對于術后并發癥的處理上，Kim 等[25]通過打印 1 例二尖瓣置換術后瓣周漏的心臟模型，指導手術路徑及合適封堵器的選擇，成功處理了術后瓣周漏情況，為近年來瓣膜置換術后相應并發癥的處理提供了一定的參考價值。
心臟瓣膜病的主要危害在于病變的瓣膜引起血流動力學改變，進而引起心腔結構變化，導致心臟功能障礙[26]。3D 打印的瓣膜除解剖復原外，也應具備在體外循環系統裝置模擬的正常心腔內壓力下，保持相對的彈性硬度、啟閉功能，實現解剖及功能的高度復原，從而輔助心臟瓣膜病的診療。武漢大學人民醫院周青團隊[27]回顧性收集3D-TEE非瓣膜病患者 10 例及二尖瓣病變患者 20 例，使用硅膠鑄模方式 3D 打印出柔性硅膠二尖瓣模型（用編織魚線模擬二尖瓣的腱索裝置）后依賴體外模擬循環系統（mock circulatory system，MCS）[28]實現瓣膜動態啟閉并采集血流動力學參數，再與先前在體測量的血流動力學參數做統計學分析。結果提示體內外差異無統計學意義（P>0.05），且一致性較高（r=0.76）。充分論證了 3D 打印動態二尖瓣模型及其功能復制的可行性。但其對二尖瓣狹窄程度、反流程度的定性評估仍有缺陷。Harb 等[29]3D 打印了 1 例 83 歲男性嚴重主動脈瓣狹窄患者的主動脈瓣模型，分別使用 Tango+材料及 VeroWhite 材料打印軟組織及鈣化組織，再將模型連接至模擬循環的流動回路脈沖裝置，得到的血流動力學參數與臨床超聲心動圖采集的數值非常相近，說明 3D 打印瓣膜性心臟病模型可實現瓣膜功能的模擬。但該試驗樣本量過小，在統計學方面仍存在局限性，需要后續試驗加以補充論證。
2 3D 生物打印在心臟瓣膜病中的應用
3D 打印心臟模型雖說可以實現心臟解剖結構及運動功能的重現，但仍不具備生物學活性。沒有生物學活性的人工瓣膜置入體內后無法生長且無法對周圍環境做出生物學反應，可能需要進行多次調整大小的手術并且終生抗凝治療。因此 3D 生物打印應運而生。目前 3D 生物打印方式主要有 3 種：噴墨（inkjet）、激光（laser）、擠壓（extrusion）[30]。
另外當前已有多種生物墨水用于 3D 生物打印，包括細胞懸浮液、載有細胞的水凝膠、微載體、細胞或組織球狀體和去細胞機制成分等[31]。不同的生物墨水適合不同類型組織的打印，例如生物活性水凝膠具有支持細胞黏附的能力，適用于心血管組織的 3D 生物打印[32]。目前 3D 生物打印模式大概可分為兩類。一類是需先進行生物支架打印。例如 Hockaday 等[33]采用添有藻酸鹽的聚乙二醇-二丙烯酸酯水凝膠，通過新興的 3D 打印光交聯技術快速打印出組織工程復雜的主動脈瓣膜支架，并置入豬主動脈瓣間質細胞，發現打印的主動脈瓣在長達 21 d 的時間里都能維持較高的細胞存活率。說明通過光交聯技術進行添加有藻酸鹽的水凝膠 3D 生物打印能快速制造出瓣膜支架，但由于細胞存活時間仍有限，還不具備很強說服力。Sodian 等[34-35]在這方面也做出過許多嘗試，從組織工程心臟瓣膜的研究到 3D 打印技術在瓣膜置換中的應用。早在 2002 年，Sodian 等[36]使用 3D 生物打印技術打印了組織工程心臟瓣膜并放入脈沖生物反應器中測試，發現瓣膜葉可以實現在亞生理和超生理流動條件下同步的啟閉，但也出現了輕度狹窄及反流情況。另一種方式是不通過生物支架，直接進行 3D 生物打印。Duan 等[37]使用基于擠壓技術的 3D 生物打印來制造具有細胞異質性的組織工程心臟瓣膜。通過藻酸鹽和明膠混合的水凝膠包裹豬主動脈平滑肌細胞（smooth muscle cell，SMC）和主動脈小葉間質細胞（valve stromal cells，VIC）直接進行瓣膜打印。靜態培養 7 d 后，SMC 和 VIC 仍有活性，并且兩種細胞分別高表達出 α-平滑肌肌動蛋白和波形蛋白。他們后續實驗又發現了調節水凝膠中甲基丙烯酸透明質酸和甲基丙烯酸明膠的比例能影響水凝膠的粘度和硬度，從而影響主動脈瓣膜間質細胞的生物學行為[38]。最后他們將主動脈瓣膜間質細胞加入了含有甲基丙烯酸透明質酸和甲基丙烯酸明膠的雜化水凝膠中進行 3D 生物打印，精準地復制了主動脈瓣，并發現主動脈瓣膜間質細胞在生物打印的瓣膜內保持了較高的活性，且通過沉積膠原和糖胺聚糖來重塑初始基質，顯示出類似體內的細胞擴散形態[39]。這一系列研究結果為通過 3D 生物打印來制作解剖學復雜且具有細胞異質性的心臟瓣膜提供了重要幫助。
3 挑戰和展望
3D 打印技術因其能夠打印異質性的且個性化的組織構造而為瓣膜性心臟病的診療提供了有力的支持。如前所述，目前已經取得了一定的成果，但仍存在許多挑戰：（1）靜態的 3D 模型難以完全反映真實動態的心臟特征；（2）局限于目前的 3D 打印技術及打印材料，3D 打印的瓣膜模型還不夠細致，精細度及質感跟真實瓣膜仍存在一定區別[40]；（3）制作模型所需時間過長，難以運用于急診手術的開展，并且所需費用較高[41]；（4）當前臨床的需求不只限于結構的可視化，同時也追求功能的復原，需要對瓣膜的血流動力學進行有效的評估[42]。而模型在體外模擬循環系統測試中，由于忽略了體內的生理環境，如激素調節、神經調節等，難以完全真實還原血流情況，且缺乏統一評估標準[27]；（5）缺乏具備交叉學科背景的專業技術人員，容易出現模型細節的還原錯誤[11]；（6）3D 打印的心臟瓣膜將來若要應用于人體內，經導管介入治療應是主要手段，3D 打印的瓣膜除了應具備良好的伸縮性，更應具備一定的耐用性和機械強度以及功能維持；（7）目前 3D 生物打印瓣膜仍處于起步階段，存在許多問題，如瓣膜的生物組織相容性、生理學活性、耐用性，瓣膜支架的可降解性，移植后的感染、免疫排斥反應及法律、倫理學等問題。未來研究可能集中在打印噴頭的設計及生物材料的改良研發。此外，瓣膜的體外評估尚缺乏標準。當前盡管已經研發出許多生物墨水，但是要打印具有生物學功能和合適機械強度的心臟組織仍然是一個巨大的挑戰[30]。
目前 3D 打印技術在心臟瓣膜性疾病領域已經取得了有目共睹的成果，它就像藝術一樣融入醫學，并且深刻影響著現有醫療模式[43]。雖然仍然面臨著眾多挑戰，但 3D 打印所提供的高精度、個性化、可觸及的模型在手術決策、醫患溝通、臨床培訓等方面有著傳統模式所不具備的獨特優勢。并且，隨著 3D 打印設備、打印材料、組織工程學技術的不斷突破，3D 打印技術在心臟瓣膜性疾病領域必將大放光芒。
利益沖突：無。
作者貢獻：林金利實施論文設計和撰寫；董柱和鄭燕純校對及修改論文；王曉武對論文進行指導和修改。