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个性化3D打印支架在气管悬吊手术中的工程学前景

Published at: 2015年第1卷第S1期

Jia An等
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Tracheal suspension by using 3-dimensional printed personalized scaffold in a patient with tracheomalacia

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Jia An, Chee Kai Chua,新加坡南洋理工大学机械与航空航天学院

摘要:3D打印是一个涵盖了很多主题、不同技术的大领域。从工程的角度看,当3D打印应用于外科手术革新如个性化支架制造时,需要考虑设计、材料和工艺的选择。同时,如果有能达到同样效果的其它替代方法,生产成本也需要被考虑。此外,这些工程方面的考虑和选择必须清晰的被外科医生所接受。

关键词:3D打印;增材制造;4D打印;组织工程;气管

3D打印(正式名称为增材制造)是一组依赖于质量和能量的相互作用去逐层制造复杂3D实体的技术(1)。相比传统的减材和成型制造技术,3D打印最适合制造复杂、贵重、小批量定制化的产品(小到单件)。在医疗环境中,3D打印大量应用在制作手术模型和定制化的移植物(2)。3D打印也广泛应用于组织工程和再生医学领域,如制作结构可控的定制化可降解支架(3-8)。

最近,3D打印聚己内酯(PCL)支架地作为一个新兴的外科技术去治疗气管疾病(9)。在这项研究中,研究人员在塌陷的气管段的周围放置了一个3D打印的C型管状支架,从而在气管外部进行悬吊,这项技术也避免了使用气管内支架。塌陷的气管通过4-0 Poly线(Ethicon,Somerville,USA)缝合于支架上,并将一片人工胸膜包裹在支架周围以减少对其他器官的磨损,病人手术后两周出院。在术后的前三个月,病人的呼吸和体力有显著的提升,悬吊的气管腔较术前明显增宽。

这一例病例并非3D打印气管支架的第一次临床研究,但却是第一次在成年病人(46岁女性)身上使用3D的PCL支架。之前报道的案例都使用激光烧结的PCL支架(10,11)。在3D打印中,挤出式的3D打印被称为熔融沉积成型(FDM),相比于激光烧结更加简单、通用、便宜。其他材料如聚醚醚酮(PEEK)也可以通过FDM打印(12)。因此,这项研究至少在有关3D打印的材料种类方面提供了更多的信息。事实上,目前市场上起码可以购买到超过50种的3D打印系统(1)。它们在医疗应用中的潜力还没有完全被开发。

从工程学的观点来看这篇文章虽然有趣,但是仍然有一些未解决的问题。首先塌陷的气管通过生物可吸收缝线悬吊在支架上,但却没有其他的固定物。生物可吸收缝合线在超过一个月后会降解松弛。然而,之后的研究表明悬吊着的气管保持开放并且没有从支架上脱离或者再塌陷。值得去探索的是在缝线降解后是那种作用力使得塌陷的气管仍然悬吊在支架上。这个观察至今没有详细清晰的解释。

如果是因为气管组织渗透进PCL支架的孔隙并与PCL材料结合,那意味着支架设计的重要性,尤其是孔洞间隙。然而,在这项研究中为何选择固定的C环设计,备选设计也可以是多孔渗水的管状结构(13)。虽然很难预测哪一种设计将会有更好的结果,但是对于气管悬吊术而言至少有超过一种的设计选择。

其次,塌陷的气管在PCL支架完全降解后如何转归是不明确的。如果气管仍然完全开放,PCL材料一定涉及到塌陷气管的治愈和再生,随之而来的生物学机制将引人关注。如果被治疗的气管在PCL降解后存在再塌陷的风险,为什么不使用生物相容的3D打印金属材料(如钛合金)?选择性激光融化(SLM)和电子束溶解法(EBM)是两个可行的方法用于制造复杂的轻质钛合金植入物(14)。然而,目前尚未获得超过PCL降解时间的跟踪数据,生物可降解支架是否比生物相容性金属支架更好还很难说。考虑到也有生物相容且不可降解的3D打印聚合物(如PEEK),适合气管悬吊术的材料绝不仅限于PCL。

事实上,在之前密西根大学儿科患者的案例中,PCL作为4D打印材料而不是3D打印材料。4D打印指的是当给予一些刺激时3D打印材料的形状随着时间而改变(15)。PCL随着时间降解,逐渐被吸收,可能更适合儿科病人。然而,在成年病人中, PCL是否仍是最好的选择是存在争议的。尽管如此,到目前为止PCL在气管悬吊术中仍是一个经受住检验且更安全的选择。

第三,3D打印医疗产品有个性化和快速制造的优点,但是在成本上的优点至今没有得到肯定(2)。在这项研究中,FDM相比其他常见的3D打印技术是否具有成本优势并未显示。然而,由于在这项研究中使用的是FDM,比以前研究中的SLS成本低。

总之,3D打印在外科实践中获得了越来越多的赞同,包括外科技术的创新。如果更多的设计事项和选择能够被外科医生清晰的理解,那么未来将会看到这个方向更多有趣的进展。

参考文献

  1. Chua CK, Leong KF. 3D Printing and Additive Manufacturing: Principles and Applications (5th Edition). Singapore: World Scientifi, 2017.

  2. Tack P, Victor J, Gemmel P, et al. 3D-printing techniques in a medical setting: a systematic literature review. Biomed Eng Online 2016;15:115.

  3. Yang S, Leong KF, Du Z, et al. The design of scaffolds for use in tissue engineering. Part I. Traditional factors. Tissue Eng 2001;7:679-89.

  4. Yang S, Leong KF, Du Z, et al. The design of scaffolds for use in tissue engineering. Part II. Rapid prototyping techniques. Tissue Eng 2002;8:1-11.

  5. Leong KF, Cheah CM, Chua CK. Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for engineering replacement tissues and organs. Biomaterials 2003;24:2363-78.

  6. Yeong WY, Chua CK, Leong KF, et al. Rapid prototyping in tissue engineering: challenges and potential. Trends Biotechnol 2004;22:643-52.

  7. Bártolo PJ, Chua CK, Almeida HA, et al. Biomanufacturing for tissue engineering: Present and future trends. Virtual and Physical Prototyping 2009;4:203-16.

  8. An J, Ee Mei Teoh J, Suntornnond R, et al. Design and 3D Printing of Scaffolds and Tissues. Engineering 2015;1:261-8.

  9. Huang L, Wang L, He J, et al. Tracheal suspension by using 3-dimensional printed personalized scaffold in a patient with tracheomalacia. J Thorac Dis 2016;8:3323-8.

  10. Zopf DA, Hollister SJ, Nelson ME, et al. Bioresorbable airway splint created with a three-dimensional printer. N Engl J Med 2013;368:2043-5.

  11. Morrison RJ, Hollister SJ, Niedner MF, et al. Mitigation of tracheobronchomalacia with 3D-printed personalized medical devices in pediatric patients. Sci Transl Med 2015;7:285ra64.

  12. Vaezi M, Yang S. Extrusion-based additive manufacturing of PEEK for biomedical applications. Virtual and Physical Prototyping 2015;10:123-35.

  13. Mäkitie AA, Korpela J, Elomaa L, et al. Novel additive manufactured scaffolds for tissue engineered trachea research. Acta Otolaryngol 2013;133:412-7.

  14. Sing SL, An J, Yeong WY, et al. Laser and electron-beam powder-bed additive manufacturing of metallic implants:A review on processes, materials and designs. J Orthop Res 2016;34:369-85.

  15. Khoo ZX, Teoh JEM, Liu Y, et al. 3D printing of smart materials: A review on recent progresses in 4D printing. Virtual and Physical Prototyping 2015;10:103-22.

译者:贺健康,男,教授,博士生导师,现就职于西安交通大学机械工程学院,主要研究方向为微纳3D打印和增材制造技术。主持国家自然科学基金优秀青年基金、面上和青年基金3项,在 Advanced Functional Materials 等SCI期刊发表文章30余篇。

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