佐治亚理工学院创新3D打印气管支架，为罕见气管缺陷儿童带来生的希望

2024年9月27日，南极熊获悉，佐治亚理工学院的研究人员开发出一种3D打印气管支架，将有可能改写患有罕见气管缺陷的儿童的命运。



四岁的Justice Altidore患有气管软化症（TM），这是一种气管软骨较弱导致气管壁塌陷、呼吸受阻的疾病。每2100名儿童中约有一名罹患此症，呼吸这样简单的动作变成了一场持久的奋斗，并可能危及生命。对这种病进行治疗时，传统治疗方法往往效果不佳，许多孩子不得不长时间依赖呼吸机生活，极大地干扰了日常生活，也限制了与家庭一起进行正常活动的能力。


△ 3D打印气管支架

为了寻找更有效的解决方案，佐治亚理工学院的专家团队研制了一种可生物吸收的气管支架。这个创新设备由可降解材料制成，通过3D打印技术定制设计来适应每位患者气管的独特解剖结构，类似于为气管量身打造的“石膏”，能够撑开气管，使孩子的气管软骨逐渐正常发育。当气管软骨逐渐增强时，支架会逐渐溶解，从而无需再进行手术移除。


△ 3D打印气管支架

来自亚特兰大儿童医疗中心的小儿心脏病专家Kevin Maher和埃默里大学医学院的小儿耳鼻喉科医生Steven Goudy负责了Justice Altidore及其他三名接受此定制气管支架的儿童的治疗。这是食品药品监督管理局（FDA）批准的扩大准入试验的一部分。佐治亚理工学院的研究人员表示：“所有四名儿童的呼吸能力都得到了显著改善，这一前所未有的结果标志着对气管软化症的治疗已经步入新时代。”


△ Scott Hollister和3D打印气管支架

3D打印技术在气管康复中的应用并非首次。事实上，这项突破性的进展经过了多年的研发。早在2012年，密歇根大学的Scott Hollister和Glenn Green就开发出了第一个3D打印生物降解气管支架，并成功植入名叫Kaiba Gionfriddo，因严重的气管支气管软化症导致气道塌陷而无法正常呼吸的三个月大婴儿体内。这项突破性医学进步曾在全球引起轰动，并为其他面临类似危及生命状况的家庭带来希望。


△ 3D MedFab 团队

加入佐治亚理工学院后，Hollister继续他的开创性工作。目前，他领导着组织工程与力学实验室（Hollister Lab）以及3D医学制造中心（3DMedFab），致力于利用先进的3D打印技术开发针对患者的具体医疗设备。在2017年，Hollister重新设计了气道支架，以治疗名叫Ramiah Martin的无气管婴儿。出生即无气管这一几乎致命的状况，让Ramiah Martin成为首个接受此类针对性3D打印气管替代支架的患者。凭借宾夕法尼亚州立健康儿童医院医疗团队的协作和佐治亚理工学院的创新技术，Ramiah Martin获得了生存的机会。


△ Ramiah Martin

Hollister Lab利用基于影像的患者特定建模设计这些救命设备。他们使用CT扫描和MRI等成像数据创建每位患者独特解剖结构的精确数字模型。定制设计完成后，3DMedFab使用最先进的3D打印设备将其实现。Hollister Lab的核心设备之一是EOS P110激光烧结系统，采用聚己内酯（PCL）粉末来制造复杂的、生物可降解的支架和适用于人类临床应用的医疗设备。这台机器提供高精度和快速生产速度，这是在紧急医疗情况下创建救命设备所必需的。3DMedFab还可以生产其他医学相关的支架，包括耳、鼻和喉的支架。除了EOS机器，实验室还使用专门的生物打印机，如EnvisionTEC的3D-Bioplotter（隶属Desktop Health）和Cellink的Inkredible+ Bioprinter，用于打印可降解聚合物和形状记忆弹性体。这些材料在制造不仅支持气管且能安全降解在体内的支架中至关重要。


△ 外科医生使用3D打印的气管支架帮助一名患有危及生命的呼吸问题的七个月大婴儿

实验室的设备库还包括其他先进打印机，如Stratasys J750，这台机器从扫描的患者解剖结构中生成高质量的手术模型，帮助医生为复杂手术做准备。Stratasys F170通常用于创建实验室工具和夹具。对于需要高分辨率和专业材料的项目，他们则使用光固化打印机，如Cellink的Lumen X Bioprinter和Formlabs的Form 2。

在Hollister的领导下，通过整合研究、设计与制造，乔治亚理工学院站在了开发创新医疗设备的前沿，挽救了许多生命。Hollister Lab和3DMedFab的协作努力已使超过25个用于治疗气管支气管软化症的设备植入患者体内，为患有严重气道疾病的儿童带来了新希望。由于每个支架都针对每位儿童气道的独特解剖结构量身设计，这种个性化的方法在拯救生命和显著改善这些年轻患者的生活质量方面发挥了关键作用。对于像Justice Altidore和Ramiah Martin这样的儿童来说，这意味着拥有正常生活的机会——有机会奔跑、玩耍和自由呼吸，而不再害怕。

展望未来，团队希望扩大这一救命技术的使用范围。通过进一步的临床试验和FDA批准，希望3D打印气管支架将成为患有TM和其他严重气道疾病儿童的标准治疗选择。