Funktionieren Herzklappen nicht mehr richtig oder sind beschädigt, dann fließt das Blut im Körper nicht mehr ordentlich. Das führt zu Herzrhythmusstörungen, einem Schlaganfall oder gar Herzversagen. Die beschädigten Herzklappen müssen durch synthetische Klappen ersetzt werden. Derartige Operationen werden jährlich an über 100.000 Menschen durchgeführt. Die Herstellung eines neuen synthetischen Ventils dauert oft Monate und ist teuer. An der Harvard University haben Forscher eine synthetische Herzklappe entwickelt, die in unter 10 Minuten in 3D gedruckt werden kann. Der Prototyp wurde von den Forschern an Schafen getestet. Es gelang ihnen, den Blutfluss eine Stunde lang erfolgreich zu regulieren. Ihre Arbeit haben die Forscher in einem Artikel mit dem Titel „On-demand heart valve manufacturing using focused rotary jet spinning“ veröffentlicht.
3D-druckbare Herzklappe in unter 10 Minuten
Bei Kindern hätte die 3D-druckbare Herzklappe einen weiteren Vorteil. Wenn diese schon in jungen Jahren operiert werden, dann müssten sich die Kinder später einer weiteren Operation unterziehen, da die Herzgröße sich mit steigendem Alter ändert. Die 3D-druckbare Klappe hingegen würde sich selbst umgestalten, was dem jungen Patienten einen weiteren Eingriff erspart.
Die synthetische Klappe, die an der Harvard University entwickelt wurde, besteht aus einem netzartigen Netzwerk aus Nanofasern, das sich wie die extrazelluläre Matrix verhält und das Wachstum natürlicher Herzklappen in unserem Körper unterstützt. Diese Nanofasern entstehen durch die 3D-Druck-Technologie des Focused Rotary Jet Spinnings (FRJS), die es ermöglicht, Mikro- oder Nanofasergerüste mit anpassbaren Ausrichtungen in 3D herzustellen.
Zuerst wird ein herzklappenförmiger Rahmen angefertigt und mit Luftstrahlen ein flüssiges Polymer in den Rahmen gedrückt. Das führt zur Entwicklung eines makellosen Nanofasergeflechts. Es entsteht eine Klappe, die über ein poröses Gerüst verfügt, in das Zellen eindringen und wachsen können.
Kit Parker, leitender Studienautor und Professor für Bioingenieurwesen in Harvard, erklärte weiter:
„Zellen arbeiten im Nanometerbereich, und 3D-Druck kann nicht bis zu diesem Bereich vordringen, aber fokussiertes Rotationsstrahldrehen kann räumliche Hinweise im Nanometerbereich erzeugen. Dort fühlen sich Zellen, wenn sie in dieses Gerüst kriechen, an, als wären sie in einer Herzklappe und nicht wie in einem synthetischen Gerüst.“
Die Forscher stellten fest:
„Leider wachsen aktuelle Herzklappenersatzprodukte nicht mit dem Kind mit. Unsere Klappen werden aus biologisch abbaubaren Polymerfasern hergestellt, die es den Zellen des Patienten ermöglichen, sich an das implantierte Gerüst anzuheften und es umzugestalten, wodurch schließlich eine natürliche Klappe entsteht, die mit dem Kind mitwachsen und ihr Leben leben kann.“
(A) Herzklappen, wie zum Beispiel die Pulmonalklappe, regulieren und steuern den Herzfluss.
(B) Die Entwurfsstrategie zum Bau eines Ersatzventils zeigt einen Überblick über die Produktions- und Testsequenz, die im Herstellungsabschnitt häufig eingeschränkt ist.
(C) Das Focused Rotary Jet Spinning (FRJS)-System ermöglicht eine schnelle Polymerfaserabscheidung auf einem Sammeldorn über einen fokussierten Luftstrom. Der Produktionsprozess beginnt mit einem leeren Sammeldorn, der dann mit Fasern beschichtet wird, bevor das Ventil abgeschnitten und entfernt wird.
(D) Die Designs sind individuell anpassbar und in der Größe so dimensioniert, dass sie in Stents für Implantate eingesetzt werden können.
(E) Die Ventile werden aus Mikro- und Nanofasern hergestellt, die das ECM nachahmen.
(F) Die Herstellungszeiten für Ventile im FRJS-System liegen im Minutenbereich. Nach dem Spinnen der Fasern für die angegebene Zeitspanne (n = 3 Klappen) wurden Dickenmessungen am Blättchenteil der Klappe durchgeführt. Fehlerbalken stellen den Standardfehler des Mittelwerts dar.(Bild © Harvard University).
Testen der Herzklappe
Synthetische Herzklappen sind bekanntermaßen lebenslang haltbar und können Patienten durch Milliarden von Herzschlagzyklen begleiten. In Tests prüften die Forscher, ob ihre Herzklappen das ebenfalls können. Sie prüften das Ventil mit einem Pulsduplikator (Herzschlagsimulator). Das Ventil öffnete, schloss, veränderte und behielt während des Experiments mehrmals erfolgreich seine Form. Anschließend kultivierten sie Herzzellen auf der Klappe, um zu sehen, ob das Gerüstmaterial für die Förderung des Zellwachstums geeignet ist. Klappen stehen in direktem Kontakt mit Blut, weshalb die Forscher prüfen mussten, ob das Material keine Thrombose oder Verstopfung der Blutgefäße verursacht, erklärte Sarah Motta, Erstautorin und Translationswissenschaftlerin an der Universität Zürich.
Die Forscher wollten im nächsten Schritt den Klappenprototypen an einem Säugetier testen. Die Wahl fiel auf das Herz eines Schafes, da dieses dem menschlichen Herzen ähnelt und die Klappen aufgrund des aggressiven Kalziumstoffwechsels ihres Körpers ständig unter Druck stehen. Bei zwei Schafen implantierten sie zwei Klappen und verwendeten Ultraschall, um sie zu diagnostizieren. Sofort nach der Operation begannen die Ventile zu funktionieren.
Innerhalb einer Stunde war beim zweiten Schaf Zellwachstum zu sehen. Der Blutfluss wurde effektiv kontrolliert und verursachte keine Thrombosen oder andere Nebenwirkungen. Beim ersten Schaf funktionierte das Ventil nach wenigen Minuten nicht mehr, da es eine falsche Größe hatte. Die Forscher planen, weitere Versuche mit verschiedenen Tiermodellen durchzuführen. Forschern der ETH Zürich ist es vor einiger Zeit gelungen, Silikon-Herzklappen aus dem 3D-Drucker zu entwickeln.
