科学家3D打印出可用于乳腺癌治疗的新型放射治疗天线

2021年5月22日，南极熊获悉，北卡罗来纳州立大学的研究人员利用3D打印技术开发出性能更优的辐射接收天线，供癌症患者在微波乳房热疗过程中穿戴。

与主流的放疗装备相比，这种新型接收器使用更为灵活，没有那么笨重，可以打印成适合的病人特定几何形状，使其在治疗过程中减少不适感。通过调整他们的天线的填充水平，科学家们还发现他们能够调整其介电常数，通过一个电磁（EM）模拟器优化其在不同暴露水平下的性能。

△科学家们的3D打印放疗天线装置。图片来自《国际跨学科研究杂志》

让放疗更容易接受

微波乳腺热疗是一种癌症治疗方法，受影响的组织局部暴露于高度聚焦的电磁辐射束下，通过热消融损害恶性细胞。虽然这个过程是非侵入性的，但目前它需要使用沉重的天线装置，这使得本来就不讨人喜欢的治疗方式对病人来说更加不舒服。

在过去，人们对可穿戴的替代品进行了大量研究，但这些研究在很大程度上局限于手工生产的纺织品或笨重的水冷设备。然而，近几年里科学家们越来越多地采用3D打印技术来更快速地生产天线，使这些天线拥有更强的灵活性，因此比许多传统的设计更让病人感到舒适。

同样，北卡罗来纳州的团队在他们之前的研究中发现，他可以通过提高棉花制品的孔隙率来改善天线增益效果。现在，研究人员进一步假设，有可能通过调整接收器的填充物来使它们不仅穿戴舒适，而且具有优化的加热性能和抗癌功效。

△科学家们的测试程序示意图。图片来自《国际跨学科研究杂志》

制造辐射接收装置

鉴于调整天线的介电性能对优化其性能至关重要，科学家们着手确定它们是如何受到其内部填充物水平的影响。为了实现这一目标，该团队使用Luzbot Taz 6 FDM 3D打印机生产了三种不同的基于TPU的设备，其特点是体积百分比为40%、70%和100%。

研究人员的天线由安装在电介质基底上的导电贴片组成，有一个3毫米厚的TPU顶层，以防止它们与病人的皮肤直接接触。在使用过程中，这些设备的贴片理论上能够向自然半球的乳腺组织中心传递微波辐射，将癌细胞加热到39-45℃，并使其失去活性。

为了测试他们的新型放射治疗设备的功效，北卡罗来纳州的科学家们将它们连接到一个实验室制造的半径为50mm的"乳房模型"上，并对它们进行了广泛的电磁模拟试验。有趣的是，研究小组发现，将天线的填充物百分比从100%降低到43.6%，使其介电常数从2.36降低到1.59，而且这种关系是可预测的，也是线性的。

△人工 "乳房模型"内模拟辐射吸收率的成像。图片来自《国际跨学科研究》杂志

此外，70%和100%体积的设备都表现出2.30 GHz的共振，并在5-7毫米深的组织中提供了35-60 W/kg的辐射吸收率，远在低温应用推荐的8-83 W/kg之内。然而，每根天线也被证明对超过15毫米深的组织无效，而且40%填充物的原型没有足够的稳定性来保持其半球形的形状。

因此，研究人员得出结论，他们已经成功地计算出他们的放疗接收器的介电常数和固体体积百分比之间的线性关系，但他们没有在体外应用中部署，如果要部署，也仅限于治疗乳房的浅层区域。

科学家们在他们的论文中解释道："所采用的乳房模型是同质的，没有精确地模仿人体的实际生物物理表现。"真实的女性乳房中有无数的成分，所有这些成分都可能影响加热的效果。因此，为了进一步研究，考虑一个更真实的模型是必不可少的。

3D打印的乳腺癌补救措施

无论是能够增加组织保留的3D打印聚合物导板，还是患者特定的生物打印植入物，研究人员继续寻找帮助乳腺癌幸存者康复的新方法。例如，韩国峨山医疗中心的临床医生将扫描与3D打印相结合，创建了可定制的手术指南，从而改善了乳房切除术患者的治疗效果。

在其他地方，以色列3D生物打印公司CollPlant至少从2019年起就开始制作乳房组织再生植入物的原型。这家公司认为，在未来，其基于胶原蛋白的移植物可以为患者提供一个更安全的替代品，以取代更传统的永久性乳房植入方法。

同样，3D打印支架开发商BellaSeno已经与赢创公司达成协议，将其RESOMER聚合物作为ISO认证的Senella乳房植入物系列的基础。最终，该公司的目标是通过创造可被人体安全吸收的植入物，改善乳房重建、隆胸和修复手术的程序。

具体的研究结果详见论文："3D-printed thermoplasticpolyurethane for wearable breast hyperthermia”，该论文由YusukeMukai、Sixian Li和Minyoung Suh共同撰写。

论文链接：https://fashionandtextiles.springeropen.com/articles/10.1186/s40691-021-00248-7