科學家開發(fā)出新型醫(yī)用3D打印水凝膠，有望應用于宮頸癌治療

2022年3月24日，南極熊獲悉來自加拿大拉瓦爾大學的研究人員開發(fā)了一種新型3D打印水凝膠，可用于宮頸癌患者的治療當中。這種凝膠由混合了金納米粒子的熱敏聚合物組成，可以局部應用在陰道，它可以將藥物帶到女性癌癥患者的宮頸。隨著進一步的研發(fā)，該團隊認為有可能利用掃描數(shù)據(jù)使他們的水凝膠適應特定病人的解剖結(jié)構，幫助更好地治療疾病并優(yōu)化其腫瘤切除后的恢復。

研究團隊在他們的論文中解釋道："可以開發(fā)出適應患者特定解剖結(jié)構的納米顆粒水凝膠系統(tǒng)，應用于受惡性腫瘤影響的宮頸區(qū)域或切除后的腫瘤腔。來自病人的MRI掃描將有助于這些物體的設計，這些掃描可以構成3D打印所需的計算機輔助設計的基礎"。

△該團隊3D打印的宮頸癌貼片的照片和核磁共振掃描圖。照片來自拉瓦爾大學。

更好地應對宮頸癌

盡管發(fā)達國家在HPV疫苗接種方面進行了大規(guī)模的推廣，導致總體病例下降，但根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)字，每年仍有超過30萬名婦女死于宮頸癌。有鑒于此，研究人員說，疫苗接種不能成為世界上對抗這種疾病的"唯一醫(yī)療武器"。

鑒于這種水凝膠在治療細菌、真菌或性傳播感染等疾病方面的功效，該團隊認為它的局部應用療法是另一種潛在的抗癌方式。他們推測，這種凝膠在這個領域可能特別有效，因為子宮頸的位置很容易通過陰道進入，而不像其他癌癥發(fā)生在身體的更深區(qū)域。

然而，當這種抗癌水凝膠以前被開發(fā)出來時，它們往往受到緩慢凝膠化的影響，這意味著它們的藥物載荷在被吸收到陰道壁之前就已經(jīng)滲出。以前的凝膠的另一個問題是，用于生產(chǎn)和管理它們的方法存在很大的差異，因此它們的特性在使用時也有不同。

也就是說，拉瓦爾的科學家們堅持認為，基于凝膠的3D打印技術克服了很多這些缺點，甚至能夠創(chuàng)造出模仿癌癥區(qū)域輪廓的定制藥物。該團隊認為這對滿足那些在腫瘤切除手術后有宮頸瘢痕的人的需求特別有用，因此他們將3D打印作為其方法的基石。

△研究人員的PF127-鋁酸鹽樣品的SEM圖像，孔隙大小特寫。圖片來自拉瓦爾大學。

介紹一種新的癌癥療法

為了使他們的個性化宮頸癌治療愿景成為現(xiàn)實，研究人員開始配制一種能夠更好地在體內(nèi)裝載藥物的水凝膠。這是一種將PF127（一種具有相變行為的合成聚合物，使其成為高分辨率圖案化和凝膠化的理想材料）與海藻酸鹽（一種具有強大的粘液粘附力的天然物質(zhì)）混合在一起制備的凝膠材料。

研究團隊還在他們的凝膠中加入了微量的金納米粒子，因為它經(jīng)常被用作放療或光熱療法的一部分，這種療法與手術切除或化療相輔相成，能夠消除癌細胞。

一旦他們完善了他們的配方，科學家們繼續(xù)將其3D打印成凝膠原型，然后對其進行細胞毒性和粘附性測試。當接觸到該團隊的水凝膠時，細胞檢測顯示其存活率在90-93%之間，證實沒有明顯的細胞毒性，同時它們還證明能夠吸收溶液中500μg的粘蛋白中的93個。

同樣，當涉及到傳遞金納米粒子時，結(jié)果顯示，凝膠能夠在42小時內(nèi)將46.7%的金納米粒子轉(zhuǎn)移到陰道粘膜上，盡管這種擴散的速度確實很慢，有些甚至仍然附著在其海藻酸鹽基質(zhì)上。

作為最后一步，為了評估其水凝膠的定制潛力，該團隊隨后創(chuàng)建了一個10毫米寬的支架，其形狀是一個能夠覆蓋宮頸術后部位的補丁。該原型的核磁共振掃描顯示，其形狀在直徑和高度上僅偏離其設計的0.5和0.75%，反映出通過科學家的方法有可能實現(xiàn)高精準性。

展望未來，研究人員的目標是通過對小鼠模型的研究在體內(nèi)應用他們的方法，作為一種更精確跟蹤植入物降解的手段。然而，基于他們最初的研究結(jié)果，拉瓦爾團隊認為他們的新型凝膠不僅有可能提高現(xiàn)有宮頸癌療法的療效，而且有可能治療相關手術后留下的腫瘤空腔。

"據(jù)我們所知，這項研究提供了第一個將3D打印技術應用于制造治療宮頸癌的納米粒子洗脫水凝膠輸送系統(tǒng)的例子，"該團隊在其論文中總結(jié)道。"核磁共振成像顯示的3D打印物體非常高的幾何順應性，為臨床前體內(nèi)實驗的設計提供了強有力的概念證明。"

△CollPlant和3D Systems等公司還在研究用于治療癌癥患者的3D生物打印支架。照片來自3D Systems公司。

未來3D打印在癌癥治療方法發(fā)揮的作用

無論是制造治療癌癥的手術設備還是植入物，增材制造繼續(xù)以多種不同的方式被部署，以改善病患的治療結(jié)果。就在上個月，印度馬尼帕爾醫(yī)院的外科醫(yī)生使用3D打印的鈦合金植入物挽救一名患者的生命，在重建胸骨和肋骨之前切除了他們的癌癥部位。

加州理工學院和加州大學舊金山分校的科學家們也想出了3D打印的 "化療過濾器"，旨在將化療藥物引向受影響的器官而遠離健康組織。研究人員說，通過在治療期間將他們的創(chuàng)造物注入患者體內(nèi)，有可能排出受影響的器官，防止任何毒劑進入血流。

在3D生物打印方面，3D Systems公司已經(jīng)為開發(fā)乳腺癌幸存者的組織投入了大量的研究。當與乳房植入物一起使用時，這些軟組織結(jié)構被設計為支持下層乳房并擴大植入物口袋，增加其整體覆蓋范圍。

研究人員的研究結(jié)果詳見他們的論文，題為 "AThree-Dimensional Printable Hydrogel Formulation for the Local Delivery ofTherapeutic Nanoparticles to Cervical Cancer"，該論文由MariiaKiseleva, Mahmoud M. Omar, élodie Boisselier, Svetlana V. Selivanova和Marc-André Fortin共同撰寫。

相關論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsbiomaterials.1c01399