人工「幫浦」
全世界需要心臟移植的數量相當多，但捐贈數量總是供不應求。也就是說，因為各種心臟疾病，需要「換心」的患者，總是不容易等到捐贈的心臟。常見的解決方式，就是讓患者在這段期間，以可攜式體外心臟來撐過這段等待心臟移植的的時間。而這種「人工心臟」，說穿了就是一個血液循環幫浦，加上自動調節的功能，來替代患者心臟打出血液，提供全身循環的功能。然而，這些可用的機械心臟，沒有心臟跳動的訊息傳遞；金屬材質製作而成，較人類真實的心臟(約拳頭大小)重。儼然還是ㄧ種血液「馬達幫浦」的概念。哪麼，有沒有可能以相似心臟的軟性材質來設計一個人工心臟?
材料疲勞對設計的限制
瑞士「蘇黎世聯邦理工學院」(ETH Zürich)，近日發表一個矽膠材料，以3D列印搭配「脫蠟鑄造技術」(lost wax casting)製作而成的人工心臟，約莫390公克，體積679 立方公分；此心臟只有兩個心室，省略心房的設計。之所以省略心房的原因大概可以猜測得到，因為心房為儲存血液的腔室，如果直接將血液導入心室，心房便可以省略。但這個以矽膠列印的心臟，只能作動3000次左右(約莫半小時到一小時)，就無法承受心臟幫浦作動時，因為材料疲勞，而破裂。
能預測設計的作動極限?
如果以人均每分鐘70次心跳，80年壽命來計算，心臟一生跳動約30億次，目前很難有一種人造材料能夠達到這種疲勞壽命的要求。以上述3D列印模型而言，材料、幾何形狀、溫度、列印層厚度…等因素都會影響模型內的應力分佈，也就關係到結構強度，影響疲勞壽命。那麼，這有辦法在列印之前，先計算來預測嗎?近年來電腦輔助分析軟體(Computer Aided Engineering, CAE)已具備針對3D列印做模擬的功能，其輸入的成型參數包含列印層厚度、溫度等等，在模擬出來後，可了解列印成品的應力分佈；這個僅具雙心室的人工心臟，在3D列印成型條件模擬之後，可進ㄧ步分析計算每次作動的形變，搭配該矽膠材料的疲勞壽命曲線圖(Stress-Cycles to Failure Curve, S-N Curve)，就能預測出以該人工心臟能夠作動的次數。或許不用去設計一個80年壽命的心臟，若能有個2至3年的壽命，讓患者度過心臟移植的等待期，也是另一個想法。
表面抗凝血處理
另外，由於血液流經、沾附的材料都有血液凝結的顧慮，若前述的3D列印技術能搭配美國哈佛大學發表在期刊「自然-生物技術」(Nature Biotechnology)的抗凝血和細菌附著塗層技術加工，那就有機會開發真的3D列印且耐用的人工心臟。
文章參考：ETH Zürich
影片來源：ETH Zürich
圖片來源：rfc1036@Flickr CC BY-SA 2.0
