科學家3D打印出可用于乳腺癌治療的新型放射治療天線

2021年5月22日，南極熊獲悉，北卡羅來納州立大學的研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)出性能更優(yōu)的輻射接收天線，供癌癥患者在微波乳房熱療過程中穿戴。

與主流的放療裝備相比，這種新型接收器使用更為靈活，沒有那么笨重，可以打印成適合的病人特定幾何形狀，使其在治療過程中減少不適感。通過調(diào)整他們的天線的填充水平，科學家們還發(fā)現(xiàn)他們能夠調(diào)整其介電常數(shù)，通過一個電磁（EM）模擬器優(yōu)化其在不同暴露水平下的性能。

△科學家們的3D打印放療天線裝置。圖片來自《國際跨學科研究雜志》

讓放療更容易接受

微波乳腺熱療是一種癌癥治療方法，受影響的組織局部暴露于高度聚焦的電磁輻射束下，通過熱消融損害惡性細胞。雖然這個過程是非侵入性的，但目前它需要使用沉重的天線裝置，這使得本來就不討人喜歡的治療方式對病人來說更加不舒服。

在過去，人們對可穿戴的替代品進行了大量研究，但這些研究在很大程度上局限于手工生產(chǎn)的紡織品或笨重的水冷設(shè)備。然而，近幾年里科學家們越來越多地采用3D打印技術(shù)來更快速地生產(chǎn)天線，使這些天線擁有更強的靈活性，因此比許多傳統(tǒng)的設(shè)計更讓病人感到舒適。

同樣，北卡羅來納州的團隊在他們之前的研究中發(fā)現(xiàn)，他可以通過提高棉花制品的孔隙率來改善天線增益效果。現(xiàn)在，研究人員進一步假設(shè)，有可能通過調(diào)整接收器的填充物來使它們不僅穿戴舒適，而且具有優(yōu)化的加熱性能和抗癌功效。

△科學家們的測試程序示意圖。圖片來自《國際跨學科研究雜志》

制造輻射接收裝置

鑒于調(diào)整天線的介電性能對優(yōu)化其性能至關(guān)重要，科學家們著手確定它們是如何受到其內(nèi)部填充物水平的影響。為了實現(xiàn)這一目標，該團隊使用Luzbot Taz 6 FDM 3D打印機生產(chǎn)了三種不同的基于TPU的設(shè)備，其特點是體積百分比為40%、70%和100%。

研究人員的天線由安裝在電介質(zhì)基底上的導電貼片組成，有一個3毫米厚的TPU頂層，以防止它們與病人的皮膚直接接觸。在使用過程中，這些設(shè)備的貼片理論上能夠向自然半球的乳腺組織中心傳遞微波輻射，將癌細胞加熱到39-45℃，并使其失去活性。

為了測試他們的新型放射治療設(shè)備的功效，北卡羅來納州的科學家們將它們連接到一個實驗室制造的半徑為50mm的"乳房模型"上，并對它們進行了廣泛的電磁模擬試驗。有趣的是，研究小組發(fā)現(xiàn)，將天線的填充物百分比從100%降低到43.6%，使其介電常數(shù)從2.36降低到1.59，而且這種關(guān)系是可預測的，也是線性的。

△人工 "乳房模型"內(nèi)模擬輻射吸收率的成像。圖片來自《國際跨學科研究》雜志

此外，70%和100%體積的設(shè)備都表現(xiàn)出2.30 GHz的共振，并在5-7毫米深的組織中提供了35-60 W/kg的輻射吸收率，遠在低溫應用推薦的8-83 W/kg之內(nèi)。然而，每根天線也被證明對超過15毫米深的組織無效，而且40%填充物的原型沒有足夠的穩(wěn)定性來保持其半球形的形狀。

因此，研究人員得出結(jié)論，他們已經(jīng)成功地計算出他們的放療接收器的介電常數(shù)和固體體積百分比之間的線性關(guān)系，但他們沒有在體外應用中部署，如果要部署，也僅限于治療乳房的淺層區(qū)域。

科學家們在他們的論文中解釋道："所采用的乳房模型是同質(zhì)的，沒有精確地模仿人體的實際生物物理表現(xiàn)。"真實的女性乳房中有無數(shù)的成分，所有這些成分都可能影響加熱的效果。因此，為了進一步研究，考慮一個更真實的模型是必不可少的。

3D打印的乳腺癌補救措施

無論是能夠增加組織保留的3D打印聚合物導板，還是患者特定的生物打印植入物，研究人員繼續(xù)尋找?guī)椭�乳腺癌幸存者康復的新方法。例如，韓國峨山醫(yī)療中心的臨床醫(yī)生將掃描與3D打印相結(jié)合，創(chuàng)建了可定制的手術(shù)指南，從而改善了乳房切除術(shù)患者的治療效果。

在其他地方，以色列3D生物打印公司CollPlant至少從2019年起就開始制作乳房組織再生植入物的原型。這家公司認為，在未來，其基于膠原蛋白的移植物可以為患者提供一個更安全的替代品，以取代更傳統(tǒng)的永久性乳房植入方法。

同樣，3D打印支架開發(fā)商BellaSeno已經(jīng)與贏創(chuàng)公司達成協(xié)議，將其RESOMER聚合物作為ISO認證的Senella乳房植入物系列的基礎(chǔ)。最終，該公司的目標是通過創(chuàng)造可被人體安全吸收的植入物，改善乳房重建、隆胸和修復手術(shù)的程序。

具體的研究結(jié)果詳見論文："3D-printed thermoplasticpolyurethane for wearable breast hyperthermia”，該論文由YusukeMukai、Sixian Li和Minyoung Suh共同撰寫。

論文鏈接：https://fashionandtextiles.springeropen.com/articles/10.1186/s40691-021-00248-7