DLP 3D打印生物可吸收性呼吸支架

来源：江苏激光联盟

据悉，来自苏黎世联邦理工学院的研究人员创造了一种新的3D打印气道支架，这种支架是可以被生物吸收的。该研究成果2021年2月3日发表在Science Advances上。

中央气道阻塞(Central airway obstruction, CAO)是由于气管/主干支气管狭窄，会导致气流受损，并对发病率和死亡率产生巨大影响。在支气管镜下插入气道支架后，可以立即缓解患有CAO的患者，气道支架是挽救生命的医疗设备，旨在恢复气道的解剖形状。使用最广泛的气道支架是由具有柔韧性和弹性的生物相容性医用级硅树脂制成。然而，由于与个体患者的复杂气管支气管解剖结构不匹配，商业化的硅胶支架是简单的导管，具有很高的移位风险。这在儿科患者中尤其明显，他们由于气道生长而需要采取其他干预措施来移除或更换支架，这可能会导致进一步的组织损伤。因此，迫切需要可在合理的时间范围内生产的，患者专用的可生物吸收的气道支架。然而，气道支架的常规制造技术使每位患者德个性化定制变得昂贵和费时。

到目前为止，3D打印的可生物吸收的气道支架已经由热塑性聚合物通过熔融沉积成型制成，并且在插入前受约束时易于应力松弛甚至永久变形。通过高度可拉伸的弹性体的数字光处理(digital light processing, DLP)可以克服这些挑战。尽管DLP与其他3D打印技术相比具有高分辨率和表面质量的优势，但它在很大程度上还取决于树脂的粘度。因此，只有具有短链长度的可生物降解的低聚物或聚合物已被用于制备DLP生物医学油墨，并且这些油墨会产生坚硬而脆的3D打印物体。因此，可生物降解弹性体的DLP 3D打印油墨的开发将是个性化生物可吸收气道支架临床应用的一大进步，其机械性能可与硅支架媲美。

在这里，来自苏黎世联邦理工学院的研究团队介绍了一种双聚合物DLP生物医学油墨，适用于3D打印生物可吸收弹性体。在对机械性能、细胞相容性和在生理pH下的降解性进行连续测试的基础上，确定了最有前途的材料，并将其用于3D打印定制的生物可吸收气道支架，其弹性体性能可与商业级的有机硅支架媲美。

图1. 通过DLP 3D打印制造和测试可生物吸收、生物相容和定制气道支架的流程示意图。

▲图解：(A). 根据计算机断层扫描图像创建兔气管的3D模型。(B). 定制支架设计，以配合气管的几何形状和表面拓扑。(C). 通过混合高（蓝色）和低（绿色）分子量（插图）的可光聚合无规共聚物来开发生物医学油墨。在对机械性能、细胞相容性和降解性进行连续测试的基础上确定的最有前途的3D打印材料被用于DLP制造可生物吸收的定制支架。(D). 然后通过将金的结合物印后制成不透射线的支架，并使用内部开发的输送装置将其插入新西兰白兔中。(E). 在10周内对兔子进行射线照相监测，并且在完成研究后呼吸道中不存在支架。

在DLP过程中，将建筑平台浸入充满树脂的容器中。然后根据数字模型将平台暴露在所需位置的紫外线下。在光线照射到树脂的地方，它会硬化。将平台降低一点，然后将下一层暴露在光线下。这样，可以逐层创建所需的对象ETH研究人员开发的该树脂在曝光后会变得有弹性。这种树脂基于两种不同的大分子单体。研究人员在Science Advances的最新研究中表明，可以通过所用大分子单体的长度（分子量）及其混合比例来控制由此产生的物体的材料特性。

紫外线一旦击中树脂，单体就会连接在一起并形成聚合物网络。由于新开发的树脂在室温下太粘，研究人员不得不在70至90摄氏度的温度下对其进行处理。研究人员生产了几种具有不同单体的树脂，并测试了由它们制成的原型，以查看该材料是否具有细胞相容性和可生物降解性。他们还测试了原型的弹性和机械应力，例如压缩和拉伸。


兔模型体内植入研究3D打印气道支架生物相容
苏黎世大学医院呼吸科高级医师Daniel Franzen研究小组和Vetsuisse教授对兔子进行的测试成功。研究人员能够证明植入物具有生物相容性，并且六到七周后就会被人体吸收。植入后十周，支架在X射线图像上不再可见。另外，插入的支架通常不会从其插入位置移动。

插入支架还需要一种特殊的仪器，因为必须将3D打印的物体折叠起来。这就要求植入物不能扭结或挤压到错误的方向，并且必须在展开位置完美展开。研究人员在支架的结构中加入了金，以利于在插入过程中利用医学成像追踪其位置。这使支架更加坚固，但不会改变其耐受性。

▲图解：(A). 圆形（黄色）和稍微扁平（蓝色）支架的3D打印文件。(B). 高度灵活的3D打印的动物定制气道支架。(C). 定制的输送装置，用于将支架插入气管。插图：用于装载支架的隔室。(D). 插入之前，将支架装入输送装置中。(E). 插入后C3椎骨区域的兔气管中完整支架的气管镜图像。(F). 观察期为1z0周的兔子的射线照相。支架的位置用红线标记。黑色箭头表示C4椎骨。(G-I)插入支架后，兔子气管2周(G)，6周(H)和10周(I)的炎症和组织形态变化。黑色矩形代表随时间变化的主要形态变化部分，包括炎症和坏死区域(G)，鳞状化生上皮(H)和假复层柱状（呼吸）上皮(I)。苏木和曙红染色，放大倍数为10×10。

苏黎世联邦理工学院药物配方和递送教授Jean-Christophe Leroux表示，这一有希望的发展为快速生产定制的医疗植入物和设备开辟了前景，这些设备需要在体内非常精确，有弹性和可降解。进一步的研究将集中于使支架的插入尽可能地平缓。该技术可以相对容易地转移到类似的医疗应用中。同时研究人员希望他们的解决方案进入诊所只是时间问题。