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  氣管支架植入術是治療中央型氣道狹窄的有效手段。然而，以硅橡膠為制備材料的商用氣管支架僅具有非常簡單的管狀設計，由于與氣管的復雜幾何構型不匹配而具有術后遷移的風險。尤其是對于兒童患者來說，更加由于氣管生長導致的支架移除與替換增加了組織損傷的風險以及手術的痛苦。因此，開發(fā)可以根據(jù)病人需求定制的個性化可吸收氣管支架具有極大的醫(yī)學需求，但是常規(guī)的制造技術難以滿足且耗時昂貴。與醫(yī)學成像相結合，3D打印技術為個性化醫(yī)療器械的快速制造提供了前所未有的機遇，尤其是基于光聚合的增材制造可以達到最優(yōu)的分辨率和打印質(zhì)量，例如數(shù)字光處理技術（DLP）。可惜的是，能夠應用于DLP的生物相容及可降解材料非常有限，常用的可降解DLP打印材料一般為熱塑性低聚物以滿足液體樹脂的打印參數(shù)，其力學性能達不到彈性支架的需求標準。

  近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）藥學系Jean-Christophe Leroux教授與鮑寅寅研究員課題組聯(lián)合材料系André R. Studart教授、蘇黎世大學醫(yī)院（UZH）Daniel Franzen醫(yī)師以及蘇黎世動物醫(yī)院Brigitte von Rechenberg教授報道了基于DLP的光聚合3D打印個性化可吸收氣管支架，其力學性能媲美商業(yè)化硅膠支架且可以被組織完全吸收。研究人員利用D,L-丙交酯和ε-己內(nèi)酯兩種單體無規(guī)共聚，結合丙烯酸酯功能化合成了一系列具有不同分子量的液態(tài)光活性聚合物。利用可加熱DLP打印機，成功實現(xiàn)了較高分子量可降解聚合物的3D打印。通過對兩種不同結構與分子量的聚合物比例的調(diào)控，可以得到一系列不同楊氏模量和斷裂伸長率的3D打印彈性體。其中，分子量15000的星型聚合物與分子量600的線性低聚物按重量比75:25混合時在3D打印后可以達到與硅膠彈性體不相上下的力學性能（圖 1）。利用這一優(yōu)化組合，可以制備不同幾何構型的高精度3D打印支架。

圖1. 可降解3D打印聚合物材料的結構設計、力學性能與打印展示

  研究人員進一步測試了3D打印材料的細胞毒性和不同條件緩沖液中的降解行為。實驗發(fā)現(xiàn)該材料具有很好的細胞生物相容性與適宜的降解特性。在37攝氏度的磷酸緩沖液中儲存5個月質(zhì)量可損失約20%，而在50攝氏度下僅6周便損失40%。在為期3個月的力學性能跟蹤實驗中發(fā)現(xiàn)，3D打印支架在37攝氏度下具有合理的抗壓強度的減弱，而在50攝氏度下僅1個月便完全失去力學強度。從實物的顯微照片可以看出降解行為導致的明顯表觀變化。

  隨后，研究人員利用CT掃描獲得了新西蘭白兔動物模型的氣管結構并設計打印出貼合其形狀的個性化可降解支架。利用自行設計的適用于動物模型的支架遞送裝置，3D打印彈性可降解支架首次被植入到動物活體氣管。在3D打印支架中原位制備金屬金使得其在動物實驗中可以被X射線成像實時監(jiān)測。研究發(fā)現(xiàn)在活體實驗前7周3D打印支架在白兔氣管中并未發(fā)生明顯位置變化，而從第8周開始支架消失，意味著逐漸降解的支架被氣管組織吸收。組織切片分析表明在支架植入的前幾周氣管組織由于受到壓力發(fā)生明顯的炎癥與損傷，隨著支架的降解與吸收癥狀逐漸減輕，至第10周炎癥消失并且上皮細胞完全恢復（圖2）。動物實驗表明3D打印支架本身具有良好的生物相容性與可生物吸收性能。

圖2. 基于雙聚合物（重量比75/25）樹脂的個性化3D打印氣管支架、可視化遞送及動物氣管組織切片。

  這項研究首次實現(xiàn)了媲美硅橡膠力學性能的生物可降解聚合物的激光3D打印，并成功應用于個性化可吸收支架的制備與測試（圖3）。該研究開發(fā)的3D打印材料與系統(tǒng)有望推動生物可降解聚合物在眾多生物醫(yī)療領域的應用，包括醫(yī)療植入物，個性化器械，組織支架，藥物遞送以及柔性電子等等。該工作日前以題為“Digital light 3D printing of customized bioresorbable airway stents with elastomeric properties”發(fā)表于國際知名期刊Science Advances。三位審稿人均給出正面評價：“The experimental results showed that the new 3D printed stents offer several advantages over the silicone stents”（實驗結果表明新的3D打印支架在不同方面優(yōu)于硅橡膠支架），“the work is interesting and compelling”（此項工作有趣且引人注目），“the overall study has high clinical impact and deserves publication in a leading journal”（整體研究在臨床上具有高影響力，應當在頂級期刊上發(fā)表）。

圖3. 可生物吸收的個性化3D打印氣管支架的設計與制備流程

  ETH藥學系博士生Nevena Paunovic與高級研究員鮑寅寅為共同第一作者，前者為3D打印材料合成與表征的主要完成人，后者為3D打印材料與系統(tǒng)的主要設計者，同時也是前者的直接導師。ETH材料系博士后Fergal B. Coulter為3D打印圖形文件及支架遞送器的設計者以及Kunal Masania（現(xiàn)為代爾夫特理工副教授）為3D打印機加熱系統(tǒng)的設計者。UZH博士生Anna K. Geks、Fabienne Rüber及高級研究員 Karina Klein、Peter W. Kronen為動物實驗的主要完成人。ETH材料系博士后Ahmad Rafsanjani（現(xiàn)為南丹麥大學副教授）提供力學計算模型。ETH藥學系碩士生Jasmin Cadalbert與材料系博士生Nicole Kleger為材料優(yōu)化、力學表征及打印機改造提供幫助。UZH高級研究員Agnieszka Karol負責組織切片與分析。ETH藥學系博士后羅智提供支架可視化方案。ETH藥學系高級研究員Davide Brambilla（現(xiàn)為蒙特利爾大學助理教授）及UZH教授Brigitte von Rechenberg分別為該項目提供幫助和協(xié)調(diào)動物實驗。ETH藥學系教授Jean-Christophe Leroux為文章的通訊作者，ETH材料系教授 André R. Studart及UZH高級醫(yī)師Daniel Franzen為共同通訊作者，分別為該研究提供整體性指導。

  該研究受瑞士國家科學基金會最高級別的合作項目Sinergia基金資助（230萬瑞郎）。Jean-Christophe Leroux教授為該項目的總負責人，鮑寅寅研究員為課題組長。André R. Studart教授及Daniel Franzen醫(yī)師為合作負責人。

  論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/6/eabe9499

  課題組鏈接：https://galenik.ethz.ch/people.html