DLP 3D打印生物可吸收性呼吸支架

來源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員創(chuàng)造了一種新的3D打印氣道支架，這種支架是可以被生物吸收的。該研究成果2021年2月3日發(fā)表在Science Advances上。

中央氣道阻塞(Central airway obstruction, CAO)是由于氣管/主干支氣管狹窄，會導致氣流受損，并對發(fā)病率和死亡率產生巨大影響。在支氣管鏡下插入氣道支架后，可以立即緩解患有CAO的患者，氣道支架是挽救生命的醫(yī)療設備，旨在恢復氣道的解剖形狀。使用最廣泛的氣道支架是由具有柔韌性和彈性的生物相容性醫(yī)用級硅樹脂制成。然而，由于與個體患者的復雜氣管支氣管解剖結構不匹配，商業(yè)化的硅膠支架是簡單的導管，具有很高的移位風險。這在兒科患者中尤其明顯，他們由于氣道生長而需要采取其他干預措施來移除或更換支架，這可能會導致進一步的組織損傷。因此，迫切需要可在合理的時間范圍內生產的，患者專用的可生物吸收的氣道支架。然而，氣道支架的常規(guī)制造技術使每位患者德個性化定制變得昂貴和費時。

到目前為止，3D打印的可生物吸收的氣道支架已經由熱塑性聚合物通過熔融沉積成型制成，并且在插入前受約束時易于應力松弛甚至永久變形。通過高度可拉伸的彈性體的數(shù)字光處理(digital light processing, DLP)可以克服這些挑戰(zhàn)。盡管DLP與其他3D打印技術相比具有高分辨率和表面質量的優(yōu)勢，但它在很大程度上還取決于樹脂的粘度。因此，只有具有短鏈長度的可生物降解的低聚物或聚合物已被用于制備DLP生物醫(yī)學油墨，并且這些油墨會產生堅硬而脆的3D打印物體。因此，可生物降解彈性體的DLP 3D打印油墨的開發(fā)將是個性化生物可吸收氣道支架臨床應用的一大進步，其機械性能可與硅支架媲美。

在這里，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究團隊介紹了一種雙聚合物DLP生物醫(yī)學油墨，適用于3D打印生物可吸收彈性體。在對機械性能、細胞相容性和在生理pH下的降解性進行連續(xù)測試的基礎上，確定了最有前途的材料，并將其用于3D打印定制的生物可吸收氣道支架，其彈性體性能可與商業(yè)級的有機硅支架媲美。

圖1. 通過DLP 3D打印制造和測試可生物吸收、生物相容和定制氣道支架的流程示意圖。

▲圖解：(A). 根據(jù)計算機斷層掃描圖像創(chuàng)建兔氣管的3D模型。(B). 定制支架設計，以配合氣管的幾何形狀和表面拓撲。(C). 通過混合高（藍色）和低（綠色）分子量（插圖）的可光聚合無規(guī)共聚物來開發(fā)生物醫(yī)學油墨。在對機械性能、細胞相容性和降解性進行連續(xù)測試的基礎上確定的最有前途的3D打印材料被用于DLP制造可生物吸收的定制支架。(D). 然后通過將金的結合物印后制成不透射線的支架，并使用內部開發(fā)的輸送裝置將其插入新西蘭白兔中。(E). 在10周內對兔子進行射線照相監(jiān)測，并且在完成研究后呼吸道中不存在支架。

在DLP過程中，將建筑平臺浸入充滿樹脂的容器中。然后根據(jù)數(shù)字模型將平臺暴露在所需位置的紫外線下。在光線照射到樹脂的地方，它會硬化。將平臺降低一點，然后將下一層暴露在光線下。這樣，可以逐層創(chuàng)建所需的對象ETH研究人員開發(fā)的該樹脂在曝光后會變得有彈性。這種樹脂基于兩種不同的大分子單體。研究人員在Science Advances的最新研究中表明，可以通過所用大分子單體的長度（分子量）及其混合比例來控制由此產生的物體的材料特性。

紫外線一旦擊中樹脂，單體就會連接在一起并形成聚合物網絡。由于新開發(fā)的樹脂在室溫下太粘，研究人員不得不在70至90攝氏度的溫度下對其進行處理。研究人員生產了幾種具有不同單體的樹脂，并測試了由它們制成的原型，以查看該材料是否具有細胞相容性和可生物降解性。他們還測試了原型的彈性和機械應力，例如壓縮和拉伸。


兔模型體內植入研究3D打印氣道支架生物相容
蘇黎世大學醫(yī)院呼吸科高級醫(yī)師Daniel Franzen研究小組和Vetsuisse教授對兔子進行的測試成功。研究人員能夠證明植入物具有生物相容性，并且六到七周后就會被人體吸收。植入后十周，支架在X射線圖像上不再可見。另外，插入的支架通常不會從其插入位置移動。

插入支架還需要一種特殊的儀器，因為必須將3D打印的物體折疊起來。這就要求植入物不能扭結或擠壓到錯誤的方向，并且必須在展開位置完美展開。研究人員在支架的結構中加入了金，以利于在插入過程中利用醫(yī)學成像追蹤其位置。這使支架更加堅固，但不會改變其耐受性。

▲圖解：(A). 圓形（黃色）和稍微扁平（藍色）支架的3D打印文件。(B). 高度靈活的3D打印的動物定制氣道支架。(C). 定制的輸送裝置，用于將支架插入氣管。插圖：用于裝載支架的隔室。(D). 插入之前，將支架裝入輸送裝置中。(E). 插入后C3椎骨區(qū)域的兔氣管中完整支架的氣管鏡圖像。(F). 觀察期為1z0周的兔子的射線照相。支架的位置用紅線標記。黑色箭頭表示C4椎骨。(G-I)插入支架后，兔子氣管2周(G)，6周(H)和10周(I)的炎癥和組織形態(tài)變化。黑色矩形代表隨時間變化的主要形態(tài)變化部分，包括炎癥和壞死區(qū)域(G)，鱗狀化生上皮(H)和假復層柱狀（呼吸）上皮(I)。蘇木和曙紅染色，放大倍數(shù)為10×10。

蘇黎世聯(lián)邦理工學院藥物配方和遞送教授Jean-Christophe Leroux表示，這一有希望的發(fā)展為快速生產定制的醫(yī)療植入物和設備開辟了前景，這些設備需要在體內非常精確，有彈性和可降解。進一步的研究將集中于使支架的插入盡可能地平緩。該技術可以相對容易地轉移到類似的醫(yī)療應用中。同時研究人員希望他們的解決方案進入診所只是時間問題。