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(dǎo)致氣流受損，并對發(fā)病率和死亡率產(chǎn)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(shè)備，旨在恢復(fù)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(fù)雜氣管支氣管解剖結(jié)構(gòu)不匹配，商業(yè)化的硅膠支架是簡單的導(dǎo)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(yù)措施來移除或更換支架，這可能會導(dǎo)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(nèi)生產(chǎn)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(shù)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(jīng)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(yīng)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(shù)相比具有高分辨率和表面質(zhì)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(chǎn)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(yīng)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(chǔ)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(shè)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(chǔ)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(jié)合物印后制成不透射線的支架，并使用內(nèi)部開發(fā)的輸送裝置將其插入新西蘭白兔中。(E). 在10周內(nèi)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)。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(chǎn)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(yīng)力，例如壓縮和拉伸。


兔模型體內(nèi)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(jié)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(jié)構(gòu)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(fù)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(chǎn)定制的醫(yī)療植入物和設(shè)備開辟了前景，這些設(shè)備需要在體內(nèi)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(shù)可以相對容易地轉(zhuǎn)移到類似的醫(yī)療應(yīng)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。