佐治亞理工學(xué)院創(chuàng)新3D打印氣管支架，為罕見氣管缺陷兒童帶來(lái)生的希望

2024年9月27日，南極熊獲悉，佐治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種3D打印氣管支架，將有可能改寫患有罕見氣管缺陷的兒童的命運(yùn)。



四歲的Justice Altidore患有氣管軟化癥（TM），這是一種氣管軟骨較弱導(dǎo)致氣管壁塌陷、呼吸受阻的疾病。每2100名兒童中約有一名罹患此癥，呼吸這樣簡(jiǎn)單的動(dòng)作變成了一場(chǎng)持久的奮斗，并可能危及生命。對(duì)這種病進(jìn)行治療時(shí)，傳統(tǒng)治療方法往往效果不佳，許多孩子不得不長(zhǎng)時(shí)間依賴呼吸機(jī)生活，極大地干擾了日常生活，也限制了與家庭一起進(jìn)行正�；顒�(dòng)的能力。


△ 3D打印氣管支架

為了尋找更有效的解決方案，佐治亞理工學(xué)院的專家團(tuán)隊(duì)研制了一種可生物吸收的氣管支架。這個(gè)創(chuàng)新設(shè)備由可降解材料制成，通過(guò)3D打印技術(shù)定制設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)每位患者氣管的獨(dú)特解剖結(jié)構(gòu)，類似于為氣管量身打造的“石膏”，能夠撐開氣管，使孩子的氣管軟骨逐漸正常發(fā)育。當(dāng)氣管軟骨逐漸增強(qiáng)時(shí)，支架會(huì)逐漸溶解，從而無(wú)需再進(jìn)行手術(shù)移除。


△ 3D打印氣管支架

來(lái)自亞特蘭大兒童醫(yī)療中心的小兒心臟病專家Kevin Maher和埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院的小兒耳鼻喉科醫(yī)生Steven Goudy負(fù)責(zé)了Justice Altidore及其他三名接受此定制氣管支架的兒童的治療。這是食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)的擴(kuò)大準(zhǔn)入試驗(yàn)的一部分。佐治亞理工學(xué)院的研究人員表示：“所有四名兒童的呼吸能力都得到了顯著改善，這一前所未有的結(jié)果標(biāo)志著對(duì)氣管軟化癥的治療已經(jīng)步入新時(shí)代�！�


△ Scott Hollister和3D打印氣管支架

3D打印技術(shù)在氣管康復(fù)中的應(yīng)用并非首次。事實(shí)上，這項(xiàng)突破性的進(jìn)展經(jīng)過(guò)了多年的研發(fā)。早在2012年，密歇根大學(xué)的Scott Hollister和Glenn Green就開發(fā)出了第一個(gè)3D打印生物降解氣管支架，并成功植入名叫Kaiba Gionfriddo，因嚴(yán)重的氣管支氣管軟化癥導(dǎo)致氣道塌陷而無(wú)法正常呼吸的三個(gè)月大嬰兒體內(nèi)。這項(xiàng)突破性醫(yī)學(xué)進(jìn)步曾在全球引起轟動(dòng)，并為其他面臨類似危及生命狀況的家庭帶來(lái)希望。


△ 3D MedFab 團(tuán)隊(duì)

加入佐治亞理工學(xué)院后，Hollister繼續(xù)他的開創(chuàng)性工作。目前，他領(lǐng)導(dǎo)著組織工程與力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Hollister Lab）以及3D醫(yī)學(xué)制造中心（3DMedFab），致力于利用先進(jìn)的3D打印技術(shù)開發(fā)針對(duì)患者的具體醫(yī)療設(shè)備。在2017年，Hollister重新設(shè)計(jì)了氣道支架，以治療名叫Ramiah Martin的無(wú)氣管嬰兒。出生即無(wú)氣管這一幾乎致命的狀況，讓Ramiah Martin成為首個(gè)接受此類針對(duì)性3D打印氣管替代支架的患者。憑借賓夕法尼亞州立健康兒童醫(yī)院醫(yī)療團(tuán)隊(duì)的協(xié)作和佐治亞理工學(xué)院的創(chuàng)新技術(shù)，Ramiah Martin獲得了生存的機(jī)會(huì)。


△ Ramiah Martin

Hollister Lab利用基于影像的患者特定建模設(shè)計(jì)這些救命設(shè)備。他們使用CT掃描和MRI等成像數(shù)據(jù)創(chuàng)建每位患者獨(dú)特解剖結(jié)構(gòu)的精確數(shù)字模型。定制設(shè)計(jì)完成后，3DMedFab使用最先進(jìn)的3D打印設(shè)備將其實(shí)現(xiàn)。Hollister Lab的核心設(shè)備之一是EOS P110激光燒結(jié)系統(tǒng)，采用聚己內(nèi)酯（PCL）粉末來(lái)制造復(fù)雜的、生物可降解的支架和適用于人類臨床應(yīng)用的醫(yī)療設(shè)備。這臺(tái)機(jī)器提供高精度和快速生產(chǎn)速度，這是在緊急醫(yī)療情況下創(chuàng)建救命設(shè)備所必需的。3DMedFab還可以生產(chǎn)其他醫(yī)學(xué)相關(guān)的支架，包括耳、鼻和喉的支架。除了EOS機(jī)器，實(shí)驗(yàn)室還使用專門的生物打印機(jī)，如EnvisionTEC的3D-Bioplotter（隸屬Desktop Health）和Cellink的Inkredible+ Bioprinter，用于打印可降解聚合物和形狀記憶彈性體。這些材料在制造不僅支持氣管且能安全降解在體內(nèi)的支架中至關(guān)重要。


△ 外科醫(yī)生使用3D打印的氣管支架幫助一名患有危及生命的呼吸問題的七個(gè)月大嬰兒

實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備庫(kù)還包括其他先進(jìn)打印機(jī)，如Stratasys J750，這臺(tái)機(jī)器從掃描的患者解剖結(jié)構(gòu)中生成高質(zhì)量的手術(shù)模型，幫助醫(yī)生為復(fù)雜手術(shù)做準(zhǔn)備。Stratasys F170通常用于創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室工具和夾具。對(duì)于需要高分辨率和專業(yè)材料的項(xiàng)目，他們則使用光固化打印機(jī)，如Cellink的Lumen X Bioprinter和Formlabs的Form 2。

在Hollister的領(lǐng)導(dǎo)下，通過(guò)整合研究、設(shè)計(jì)與制造，喬治亞理工學(xué)院站在了開發(fā)創(chuàng)新醫(yī)療設(shè)備的前沿，挽救了許多生命。Hollister Lab和3DMedFab的協(xié)作努力已使超過(guò)25個(gè)用于治療氣管支氣管軟化癥的設(shè)備植入患者體內(nèi)，為患有嚴(yán)重氣道疾病的兒童帶來(lái)了新希望。由于每個(gè)支架都針對(duì)每位兒童氣道的獨(dú)特解剖結(jié)構(gòu)量身設(shè)計(jì)，這種個(gè)性化的方法在拯救生命和顯著改善這些年輕患者的生活質(zhì)量方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。對(duì)于像Justice Altidore和Ramiah Martin這樣的兒童來(lái)說(shuō)，這意味著擁有正常生活的機(jī)會(huì)——有機(jī)會(huì)奔跑、玩耍和自由呼吸，而不再害怕。

展望未來(lái)，團(tuán)隊(duì)希望擴(kuò)大這一救命技術(shù)的使用范圍。通過(guò)進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)和FDA批準(zhǔn)，希望3D打印氣管支架將成為患有TM和其他嚴(yán)重氣道疾病兒童的標(biāo)準(zhǔn)治療選擇。