3D打印氣道支架的研究進展

孔穎穎 張杰

支架是治療氣道狹窄的重要手段,常用支架采用注塑或編織工藝制備,規(guī)格有限,而患者氣道解剖結(jié)構(gòu)和狹窄程度各異,支架無法與之精準匹配,尺寸過小容易移位,尺寸過大與氣道粘膜產(chǎn)生摩擦,導(dǎo)致肉芽組織形成、氣道再狹窄。傳統(tǒng)個性化定制需要為每位患者設(shè)計制造新模具,耗時長、成本高。3D 打印可快速定制而不增加成本,在耳鼻喉科、心內(nèi)科、胸外科、骨科、泌尿外科已走向臨床應(yīng)用,打印假肢、外固定架、夾板、冠脈支架、輸尿管支架及手術(shù)器械[1]。但3D打印在氣道的應(yīng)用尚處于起步階段。其優(yōu)勢在于:(1)可打印患者氣道模型,用于氣道管理及臨床教學[2]。(2)打印氣道支架,包括氣管內(nèi)支架、氣管外支架(亦稱夾板,置于軟化的氣道周圍并固定,撐起塌陷氣道治療兒童氣管軟化癥)。(3)人造氣管[3]。本文首次總結(jié)氣道內(nèi)支架的打印技術(shù)、打印材料、相關(guān)研究、局限性,期望為后續(xù)支架研制提供參考。

一、3D打印技術(shù)

1 打印流程

(1)CT采集圖像。(2)三維模型的建立及優(yōu)化:使用Mimics軟件獲得呼吸道3D模型,設(shè)計支架形狀,三維建模得到STL (standard triangle language)文件。(3)打印:將STL文件導(dǎo)入軟件,傳輸?shù)酱蛴C,設(shè)置打印溫度、打印速度等參數(shù),打印氣道支架。

2 打印技術(shù)

按原理分兩類[1]。

(1)熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM):將融化的熱塑性材料擠出到3D打印平臺上,層層堆積逐步鋪設(shè)。簡單、通用、便宜,但打印速度慢、支架精度差。受溫度影響,FDM打印的生物可降解氣道支架不夠穩(wěn)定,塑形時容易發(fā)生應(yīng)力松弛甚至永久變形[4],而光固化技術(shù)可克服這一缺陷。

(2)光固化技術(shù):氣道支架打印中占主導(dǎo)地位[5],按光源和照射方式分為兩種。立體光固化成型 (stereo lithography appearance,SLA):在紫外光的照射下,液態(tài)光敏樹脂被固化成固體。打印精度高,但設(shè)備和耗材價格相對高;未來氣道支架技術(shù)的發(fā)展重點是藥物輸送,由于SLA是一種低溫3D打印技術(shù),不會導(dǎo)致藥物的熱降解,適合打印藥物洗脫支架[5]。數(shù)字光處理技術(shù)(digital light processing,DLP)是第二代光固化技術(shù),SLA進行光固化時是一個點一個點固化的,打印速度相對慢,而DLP是整層同時固化,打印速度快、尺寸精度高。但能夠用于DLP打印的材料非常有限,只有生物相容及可降解的低聚物或短鏈聚合物(低粘度)才能滿足打印要求,而這類材料成型后質(zhì)地堅硬且脆,無法構(gòu)建具有柔韌性、彈性的氣道支架。近年來巨大進步是通過調(diào)控兩種可降解聚合物的比例來調(diào)控材料特性[6],使之適合DLP打印。

二、3D打印氣道支架材料的選擇

理想的支架應(yīng)具有以下特性[4]:(1)柔韌性好、置入過程中不發(fā)生斷裂。(2)生物可降解,不需要二次手術(shù)取出支架。(3)良好的組織相容性。(4)能提供有效的氣道擴張作用:支撐機械強度高、軸向收縮少。(5)可控地釋放藥物,抑制肉芽組織增生。滿足上述條件的3D打印材料比較有限。目前FDA批準的有聚己內(nèi)酯(polycaprolactone,PCL)、聚乳酸(polylactic acid,PLA)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly lactic-co-glycolic acid,PLGA)。這些材料可單獨使用,也可組合在一起,力學特性取決于聚合物的混合比例[7]。不同用途的支架可選擇不同材料:(1)聚己內(nèi)酯:較低的熔點 (約60°C)便于融化、容易成型、可經(jīng)環(huán)氧乙烷消毒,可在FDM中應(yīng)用。在體內(nèi)保留2～3年后消失,是兒童氣管軟化癥氣管外支架的理想打印材料,早在2015年已被用于打印氣管外支架[8],Guerra[9]還為制作PCL支架專門開發(fā)了FDM打印機。(2)聚乳酸:理想的熱塑性聚合物,有多種立體結(jié)構(gòu),其中的聚左旋乳酸(poly-L-lactide,PLLA)由于堅韌性和較高的楊氏彈性模量,是氣道支架的合適材料,也可作為藥物載體[1],有研究證實雷帕霉素洗脫PLLA-PCL支架可在體內(nèi)減少氣管瘢痕形成[10]。(3)PLGA:因生物降解可調(diào)控而廣泛應(yīng)用于載藥支架[11]。除此之外,還有醫(yī)用級熱塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene,ABS)等。

三、3D打印氣道支架的相關(guān)研究

氣道支架有兩種打印方式,間接打印:先打印支架模具,再向模具中注入醫(yī)用級液態(tài)硅膠,得到硅膠支架。雖然最終植入體內(nèi)的支架并非直接3D打印的,但此模具卻是整個過程中最重要的,因為它精確再現(xiàn)了患者的支氣管形狀。直接打印是將材料直接打印成氣道支架。

1 間接打印

早期支架定制多基于間接方法,Evila L.Melgoza等[12]以ABS為原材料,通過FDM技術(shù)打印出支架模具,再獲得硅膠支架。但硅膠和模具之間有時容易粘結(jié),支架難以從模具中移除,M.K?nigshofer等[13]使用脫模劑克服了該問題,他們以牙科 Dental SG樹脂為材料,通過SLA技術(shù)打印出支架模具,再獲得硅膠支架,具有與有機硅材料相似的力學特性(特別是在抗撕裂和彈性方面)。2021年,Liu J.等[14]制備了一種新型多孔硅膠氣管支架:利用DLP打印支架模具,將液體硅膠注入模具中得到多孔氣管支架。再在孔隙中填充硅膠海綿(65%氯化鈉+35%碳酸氫鈉+液體硅膠),以防止肉芽組織向內(nèi)生長,同時有利于營養(yǎng)物質(zhì)擴散、促進氣道上皮細胞黏附。研究者應(yīng)用離體豬氣管對支架的力學性能進行了評價,該支架支撐性足夠,具有更優(yōu)越的抗遷移性能,為治療氣道狹窄帶來新思路。

臨床研究方面,盡管數(shù)量有限,但安全性和有效性已得到證實,對于氣道嚴重扭曲、分支角度不常見的復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu),3D打印支架具有很大優(yōu)勢。2017年,法國發(fā)表了世界上首例3D間接打印氣道支架的臨床應(yīng)用[15]。患者肺移植后右肺中間段狹窄,合并吻合口瘺,傳統(tǒng)支架無法處理,將3D間接打印的硅膠支架經(jīng)氣管鏡置入狹窄彎曲的移植后氣道,患者呼吸困難、生活質(zhì)量和肺功能都得到了改善,無并發(fā)癥。2018年,美國克利夫蘭醫(yī)學中心Thomas R.Gildea[16]等將3D間接打印的Y型硅膠支架,置入了2名因韋格納肉芽腫導(dǎo)致雙側(cè)氣道狹窄的患者,傳統(tǒng)方法定制的硅膠支架在Y型連接處太厚太大,無法成功植入,患者每兩周需行氣管鏡下介入治療。置入3D打印支架后觀察1年,支架貼合性好、肉芽組織減少,癥狀明顯改善,兩次氣管鏡間隔拉長,每次氣管鏡下治療時間明顯縮短。除了完美貼合外,3D打印氣道支架在使用時間上也具有優(yōu)勢。傳統(tǒng)氣管支架由于匹配不良,需經(jīng)常更換,一般可使用90天,而3D打印支架平均使用時間長達一年。目前FDA已批準克利夫蘭醫(yī)學中心開發(fā)的3D打印氣道支架。Nicolas Guibert[17]納入了10例解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氣道狹窄患者:有效性方面,置入打印支架后,8名患者得到顯著改善,呼吸困難(New York Heart Association scale,NYHA分級)改善>1級、VQ11-生活質(zhì)量問卷評分改善>10%,肺功能中第一秒用力呼氣容積或峰值呼氣流速變異率增加>10%,有患者在置入23個月時仍無不適癥狀。安全性方面:3個月時并發(fā)癥發(fā)生率為40%,包括1例良性粘液堵塞,1例嚴重氣管支氣管軟化癥患者因劇烈咳嗽取出支架,2例氣切術(shù)后狹窄的患者發(fā)生支架移位(應(yīng)用傳統(tǒng)支架時也多次遷移)。40%的并發(fā)癥發(fā)生率似乎高于常規(guī)支架,但這是由患者復(fù)雜性決定的(10名患者中,有7名之前經(jīng)傳統(tǒng)支架治療失敗,剩余3例為移植后氣道狹窄,無法置入常規(guī)支架)。除氣道狹窄外,3D打印硅膠支架還可顯著改善氣管支氣管軟化和過度動態(tài)氣道塌陷患者的病情[18],傳統(tǒng)的硅酮支架直徑和長度太小,無法提供足夠的支撐。大直徑的自膨脹金屬支架由于肉芽組織增生、支架斷裂和瘺的風險,不宜使用,而置入3D打印支架術(shù)后5個月,患者仍無不適。

2 直接打印

多孔氣道支架很難從模具中移除,需采用直接打印方式,因不需要制作模具,打印速度更快,1～2天可完成[19]。Daniel Franzen[6]首次報道了DLP技術(shù)打印的生物可降解氣道支架。(1)材料上:將兩種不同分子量的單體D,L-丙交酯(D,L-lactide,DLLA)和ε-己內(nèi)酯(caprolactone,CL)進行共聚,調(diào)控高分子量和低分子量光聚合物的比例,使材料兼?zhèn)涓叻肿恿康膹姸取⒌头肿恿烤酆衔锏膹椥?能夠承受徑向壓縮和卷曲過程中產(chǎn)生的高應(yīng)力,機械性能可與商業(yè)硅膠支架媲美。(2)生物相容性:將3D打印材料的提取物與人肺上皮細胞共培養(yǎng),測得細胞活力不受影響,生物相容性好。(3)可降解性:支架置于37°C和50°C的磷酸鹽緩沖液,溫度較高時降解快,而生理溫度(37°C)下從第4個月開始有明顯降解。(4)動物試驗:置入兔氣道內(nèi),支架貼合性好,無移位,7周后完全降解,對氣道無損傷。Bengi Yilmaz等[20]首次使用SLA方式直接打印出多孔氣道支架,高孔隙率有助于防止粘液潴留。打印材料為生物可降解的光聚合樹脂(ECO UV樹脂),該樹脂可與SLA、DLP的打印機兼容。此外,研究驗證了支架的抗壓強度,應(yīng)力應(yīng)變行為。國內(nèi)生物化學專業(yè)的李榮榮[21]首次制備了3D打印可降解藥物洗脫支架:以醫(yī)用級熱塑性聚氨酯(TPU)為基材、添加HM-531 親水改性劑,制備TPU/HM-531材料;采用FDM打印出藥物洗脫氣道支架,其徑向支撐性能和壓縮強度優(yōu)于鈦合金覆膜氣道支架。生物相容性方面:采用打印材料的浸提液對小鼠成纖維細胞進行細胞毒性測試,CCK-8(cell counting kit-8)測試對細胞增殖無影響,無毒性。藥物釋放方面:HM-531親水改性劑的溶出效應(yīng)構(gòu)建微孔通道,實現(xiàn)藥物的可控釋放。改變支架外層親水改性劑HM-531 用量可調(diào)控藥物釋放行為,紫杉醇氣道支架的體外模擬釋放持續(xù)時間達90 天,釋放的濃度可抑制肉芽組織過度增生。本研究為新型氣道支架的產(chǎn)品開發(fā)和臨床應(yīng)用奠定了良好的實驗基礎(chǔ),有望解決支架移位和反復(fù)再狹窄等臨床難題。

臨床研究方面,Annangi S.等[19]首次將3D直接打印氣道支架應(yīng)用于一例肺移植術(shù)后氣道狹窄的患者。該患者移植后左主支氣管狹窄同時彌漫性軟化,先后嘗試圓柱形、Y型硅膠支架均無法充分吻合,支架發(fā)生移位、肉芽組織增生,最后左上葉閉塞,肺功能進行性下降,再次被列入肺移植名單。研究者采用FDM法以醫(yī)療級聚氨酯打印出氣道支架,充分貼合,支架無移位,無明顯肉芽組織形成。患者癥狀顯著改善,第1秒用力呼氣量從預(yù)期的41%改善到84%,并在15個月的隨訪期間保持穩(wěn)定,最終從移植等待名單中除名。

綜上所述,3D打印氣道支架在困難氣道處置中發(fā)揮優(yōu)勢,已有研究涉及[17]肺移植后、肺葉切除術(shù)后、氣管支氣管軟化癥、氣管切開術(shù)后的氣道狹窄,目前尚未應(yīng)用于肺惡性腫瘤侵襲氣道所致的狹窄。

四、3D打印氣道支架存在的問題

主要瓶頸是尋找最佳材料,如何加強可降解支架的機械支撐力、提高組織相容性、控制降解速率及攜帶藥物,有待進一步改善。然后是滅菌,常用的滅菌程序有高溫滅菌、環(huán)氧乙烷氣體等。聚乳酸熔點很高(250℃),可以進行121℃的蒸汽殺菌[22]。但大多數(shù)3D打印熱塑性材料比如PCL無法耐受高溫,紫外線對PCL的性能影響很大,需換用環(huán)氧乙烷、低溫等離子體[23]、70%乙醇或抗生素溶液。然而,液體消毒技術(shù)可能會影響藥物洗脫支架的藥物擴散。因此,需根據(jù)不同打印技術(shù)及材料研究合適的滅菌方式。最后的障礙是介入肺科醫(yī)生無法輕松使用建模軟件和制造3D打印的平臺,可與生物醫(yī)藥、材料科學交叉融合,共同開發(fā)新型支架。

五、展望

3D 打印氣道支架應(yīng)用前景廣闊,藥物涂層、可降解支架也是研究熱點[24],生物可降解氣道支架國外已應(yīng)用于臨床并初顯療效。藥物涂層支架方面,雖然雷帕霉素冠脈支架效果明顯,但雷帕霉素氣道支架尚停留于動物試驗。3D 打印生物可降解載藥支架是一種具備理想綜合性能的氣道支架,是今后重要發(fā)展方向之一。