Nature子刊：基爾大學3D打印超精密呼吸器裝置，改進哮喘患者治療方式

導讀：對于全球超過2.6億哮喘患者來說，呼吸器是至關重要的治療裝置。然而，研究表明，12%至71%的病例（住院患者高達86%）和兒童（兒童高達97%）存在使用不當?shù)那闆r，導致實際吸入劑量減少。許多用戶難以正確使用呼吸器，無論是由于技術錯誤、使用不規(guī)律還是年齡原因。結果，藥物常常無法正常到達肺部。

2025年8月22日，南極熊獲悉，德國基爾大學的研究人員正在利用超精密3D打印技術重新設計干粉呼吸器內(nèi)的微型載體，旨在提高藥物輸送的有效性。

相關研究以題為“Aerodynamic performance of tailoredmicroparticles as carriers in dry powder inhaler formulations made bymulti-focus multi-photon 3D laser printing/多焦點多光子3D激光打印制成的干粉呼吸器配方中定制微粒作為載體的空氣動力學性能”的論文發(fā)表在《自然》雜志《通訊材料》上。論文詳細介紹了不同的幾何形狀如何影響藥物釋放，并指出星形的Pharmacone設計是最有效的。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43246-025-00913-0

為什么呼吸器有時會失效？

呼吸器將藥物直接輸送至肺部，而肺部是治療哮喘的最佳部位。這使得呼吸器成為替代藥片或注射劑的首選。但在日常使用中，呼吸器常常由于操作失誤或不規(guī)律使用而效果不佳。

事實上，研究估計，50% 至 94% 的患者會因技術錯誤（例如吸氣不夠深或協(xié)調(diào)性不正確）而誤用呼吸器。此外，許多人沒有按照處方使用呼吸器，全球估計這一比例在 43% 至 80% 之間。濫用和漏服藥物會導致哮喘癥狀加重、發(fā)作次數(shù)增多，甚至需要去醫(yī)院就診，給患者和醫(yī)院系統(tǒng)帶來更多困難。

△ReginaScherließ 教授。圖片由基爾大學提供。

基爾大學Regina Scherließ教授領導的研究小組正在探索一種更好的設計能否解決這個問題。為了解決這個問題，他們利用 3D 打印技術制造了數(shù)百萬個形狀完全相同、細如發(fā)絲的載體顆粒。在他們的研究中，一種被稱為“Pharmacone”的設計（具有星形突起）效果顯著，與其他形狀相比，它能將多四倍的藥物輸送到肺部。科學家們表示，這些尖銳的角度可能會使顆粒發(fā)生更多碰撞和旋轉(zhuǎn)，從而更有效地釋放藥物。

△潛在載體顆粒的設計。圖片由基爾大學提供

研究人員表示，這些用實驗室模型顆粒目前還不能用于實際的呼吸器，但具備很大的潛力。呼吸器的設計一直在緩慢發(fā)展，像Easyhaler®這樣的設備在一些臨床研究中顯示出更規(guī)律的使用和控制，錯誤率也更低。然而，大多數(shù)患者還沒有體驗到這種精確設計帶來的好處，至少目前還沒有。

即使是微小的改進也能帶來巨大的改變。英國的一項研究估計，約有36.6萬名哮喘/慢性阻塞性肺�。–OPD）患者因呼吸器使用不當，每年導致1620萬英鎊的意外醫(yī)療事故。同樣，西班牙因呼吸器使用不當造成的資源損失高達數(shù)百萬歐元。更好的呼吸器可以幫助降低這些成本。

像 Pharmacone 這樣的設計可以幫助更多藥物到達肺部，即使患者的技術并不完美。研究人員解釋說，如果機械性能更好，呼吸器本身就可以承擔更多工作，彌補協(xié)調(diào)性差或吸入流量不一致的問題。但患者情況各不相同，尤其是兒童和老年人。例如，只有不到 20% 的老年 COPD 患者能夠正確使用呼吸器，而對于經(jīng)典的“噴霧”呼吸器和一種名為Turbuhalers 的干粉呼吸器 (DPI) 等設備，正確使用率甚至更低，分別僅為 11.9% 和 10%。

△掃描電子顯微鏡下的Pharmacone：圖片顯示Pharmacone載體顆粒與模型藥物混合后的狀態(tài)。圖片由基爾大學提供。

雖然這些粒子目前仍處于實驗階段，但需要開發(fā)可生物降解的版本才能投入臨床使用。另一個障礙是擴大生產(chǎn)規(guī)模。為此，研究團隊采用了雙光子聚合(2PP) 來實現(xiàn)納米級別精度。2PP方法的工作原理是將激光聚焦到感光材料上，以驚人的精度逐點硬化它。傳統(tǒng)上，2PP 速度太慢，無法進行大規(guī)模工作，但卡爾斯魯厄理工學院(KIT) 最近取得了突破，改變了這一現(xiàn)狀。通過引入并行化，KIT 的研究人員可以同時打印 49 個結構，而不是一次打印一個。使用這個升級的系統(tǒng)，基爾大學的研究小組可以成功地連續(xù)生產(chǎn)數(shù)百萬個相同的、細如發(fā)絲的粒子。這是使 Pharmacone 等實驗設計在藥物開發(fā)中實用化方面邁出的令人難以置信的一步。

△利用新系統(tǒng)打印的超材料由微米級復雜的三維晶格結構組成。圖片由卡爾斯魯厄理工學院的Vincent Hahn提供。

呼吸器的有效性取決于使用方式，誤用仍然是一個主要問題。基爾大學的 3D 打印 Pharmacone 顆粒很好地證明了更智能的設計如何幫助更多的藥物到達肺部，也為更好的呼吸器帶來了美好的前景。