科学家开发出新型医用3D打印水凝胶，有望应用于宫颈癌治疗

2022年3月24日，南极熊获悉来自加拿大拉瓦尔大学的研究人员开发了一种新型3D打印水凝胶，可用于宫颈癌患者的治疗当中。这种凝胶由混合了金纳米粒子的热敏聚合物组成，可以局部应用在阴道，它可以将药物带到女性癌症患者的宫颈。随着进一步的研发，该团队认为有可能利用扫描数据使他们的水凝胶适应特定病人的解剖结构，帮助更好地治疗疾病并优化其肿瘤切除后的恢复。

研究团队在他们的论文中解释道："可以开发出适应患者特定解剖结构的纳米颗粒水凝胶系统，应用于受恶性肿瘤影响的宫颈区域或切除后的肿瘤腔。来自病人的MRI扫描将有助于这些物体的设计，这些扫描可以构成3D打印所需的计算机辅助设计的基础"。

△该团队3D打印的宫颈癌贴片的照片和核磁共振扫描图。照片来自拉瓦尔大学。

更好地应对宫颈癌

尽管发达国家在HPV疫苗接种方面进行了大规模的推广，导致总体病例下降，但根据世界卫生组织的数字，每年仍有超过30万名妇女死于宫颈癌。有鉴于此，研究人员说，疫苗接种不能成为世界上对抗这种疾病的"唯一医疗武器"。

鉴于这种水凝胶在治疗细菌、真菌或性传播感染等疾病方面的功效，该团队认为它的局部应用疗法是另一种潜在的抗癌方式。他们推测，这种凝胶在这个领域可能特别有效，因为子宫颈的位置很容易通过阴道进入，而不像其他癌症发生在身体的更深区域。

然而，当这种抗癌水凝胶以前被开发出来时，它们往往受到缓慢凝胶化的影响，这意味着它们的药物载荷在被吸收到阴道壁之前就已经渗出。以前的凝胶的另一个问题是，用于生产和管理它们的方法存在很大的差异，因此它们的特性在使用时也有不同。

也就是说，拉瓦尔的科学家们坚持认为，基于凝胶的3D打印技术克服了很多这些缺点，甚至能够创造出模仿癌症区域轮廓的定制药物。该团队认为这对满足那些在肿瘤切除手术后有宫颈瘢痕的人的需求特别有用，因此他们将3D打印作为其方法的基石。

△研究人员的PF127-铝酸盐样品的SEM图像，孔隙大小特写。图片来自拉瓦尔大学。

介绍一种新的癌症疗法

为了使他们的个性化宫颈癌治疗愿景成为现实，研究人员开始配制一种能够更好地在体内装载药物的水凝胶。这是一种将PF127（一种具有相变行为的合成聚合物，使其成为高分辨率图案化和凝胶化的理想材料）与海藻酸盐（一种具有强大的粘液粘附力的天然物质）混合在一起制备的凝胶材料。

研究团队还在他们的凝胶中加入了微量的金纳米粒子，因为它经常被用作放疗或光热疗法的一部分，这种疗法与手术切除或化疗相辅相成，能够消除癌细胞。

一旦他们完善了他们的配方，科学家们继续将其3D打印成凝胶原型，然后对其进行细胞毒性和粘附性测试。当接触到该团队的水凝胶时，细胞检测显示其存活率在90-93%之间，证实没有明显的细胞毒性，同时它们还证明能够吸收溶液中500μg的粘蛋白中的93个。

同样，当涉及到传递金纳米粒子时，结果显示，凝胶能够在42小时内将46.7%的金纳米粒子转移到阴道粘膜上，尽管这种扩散的速度确实很慢，有些甚至仍然附着在其海藻酸盐基质上。

作为最后一步，为了评估其水凝胶的定制潜力，该团队随后创建了一个10毫米宽的支架，其形状是一个能够覆盖宫颈术后部位的补丁。该原型的核磁共振扫描显示，其形状在直径和高度上仅偏离其设计的0.5和0.75%，反映出通过科学家的方法有可能实现高精准性。

展望未来，研究人员的目标是通过对小鼠模型的研究在体内应用他们的方法，作为一种更精确跟踪植入物降解的手段。然而，基于他们最初的研究结果，拉瓦尔团队认为他们的新型凝胶不仅有可能提高现有宫颈癌疗法的疗效，而且有可能治疗相关手术后留下的肿瘤空腔。

"据我们所知，这项研究提供了第一个将3D打印技术应用于制造治疗宫颈癌的纳米粒子洗脱水凝胶输送系统的例子，"该团队在其论文中总结道。"核磁共振成像显示的3D打印物体非常高的几何顺应性，为临床前体内实验的设计提供了强有力的概念证明。"

△CollPlant和3D Systems等公司还在研究用于治疗癌症患者的3D生物打印支架。照片来自3D Systems公司。

未来3D打印在癌症治疗方法发挥的作用

无论是制造治疗癌症的手术设备还是植入物，增材制造继续以多种不同的方式被部署，以改善病患的治疗结果。就在上个月，印度马尼帕尔医院的外科医生使用3D打印的钛合金植入物挽救一名患者的生命，在重建胸骨和肋骨之前切除了他们的癌症部位。

加州理工学院和加州大学旧金山分校的科学家们也想出了3D打印的 "化疗过滤器"，旨在将化疗药物引向受影响的器官而远离健康组织。研究人员说，通过在治疗期间将他们的创造物注入患者体内，有可能排出受影响的器官，防止任何毒剂进入血流。

在3D生物打印方面，3D Systems公司已经为开发乳腺癌幸存者的组织投入了大量的研究。当与乳房植入物一起使用时，这些软组织结构被设计为支持下层乳房并扩大植入物口袋，增加其整体覆盖范围。

研究人员的研究结果详见他们的论文，题为 "AThree-Dimensional Printable Hydrogel Formulation for the Local Delivery ofTherapeutic Nanoparticles to Cervical Cancer"，该论文由MariiaKiseleva, Mahmoud M. Omar, élodie Boisselier, Svetlana V. Selivanova和Marc-André Fortin共同撰写。

相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsbiomaterials.1c01399