Nature子刊：基爾大學(xué)3D打印超精密呼吸器裝置，改進(jìn)哮喘患者治療方式

導(dǎo)讀：對(duì)于全球超過2.6億哮喘患者來說，呼吸器是至關(guān)重要的治療裝置。然而，研究表明，12%至71%的病例（住院患者高達(dá)86%）和兒童（兒童高達(dá)97%）存在使用不當(dāng)?shù)那闆r，導(dǎo)致實(shí)際吸入劑量減少。許多用戶難以正確使用呼吸器，無論是由于技術(shù)錯(cuò)誤、使用不規(guī)律還是年齡原因。結(jié)果，藥物常常無法正常到達(dá)肺部。

2025年8月22日，南極熊獲悉，德國基爾大學(xué)的研究人員正在利用超精密3D打印技術(shù)重新設(shè)計(jì)干粉呼吸器內(nèi)的微型載體，旨在提高藥物輸送的有效性。

相關(guān)研究以題為“Aerodynamic performance of tailoredmicroparticles as carriers in dry powder inhaler formulations made bymulti-focus multi-photon 3D laser printing/多焦點(diǎn)多光子3D激光打印制成的干粉呼吸器配方中定制微粒作為載體的空氣動(dòng)力學(xué)性能”的論文發(fā)表在《自然》雜志《通訊材料》上。論文詳細(xì)介紹了不同的幾何形狀如何影響藥物釋放，并指出星形的Pharmacone設(shè)計(jì)是最有效的。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43246-025-00913-0

為什么呼吸器有時(shí)會(huì)失效？

呼吸器將藥物直接輸送至肺部，而肺部是治療哮喘的最佳部位。這使得呼吸器成為替代藥片或注射劑的首選。但在日常使用中，呼吸器常常由于操作失誤或不規(guī)律使用而效果不佳。

事實(shí)上，研究估計(jì)，50% 至 94% 的患者會(huì)因技術(shù)錯(cuò)誤（例如吸氣不夠深或協(xié)調(diào)性不正確）而誤用呼吸器。此外，許多人沒有按照處方使用呼吸器，全球估計(jì)這一比例在 43% 至 80% 之間。濫用和漏服藥物會(huì)導(dǎo)致哮喘癥狀加重、發(fā)作次數(shù)增多，甚至需要去醫(yī)院就診，給患者和醫(yī)院系統(tǒng)帶來更多困難。

△ReginaScherließ 教授。圖片由基爾大學(xué)提供。

基爾大學(xué)Regina Scherließ教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正在探索一種更好的設(shè)計(jì)能否解決這個(gè)問題。為了解決這個(gè)問題，他們利用 3D 打印技術(shù)制造了數(shù)百萬個(gè)形狀完全相同、細(xì)如發(fā)絲的載體顆粒。在他們的研究中，一種被稱為“Pharmacone”的設(shè)計(jì)（具有星形突起）效果顯著，與其他形狀相比，它能將多四倍的藥物輸送到肺部�？茖W(xué)家們表示，這些尖銳的角度可能會(huì)使顆粒發(fā)生更多碰撞和旋轉(zhuǎn)，從而更有效地釋放藥物。

△潛在載體顆粒的設(shè)計(jì)。圖片由基爾大學(xué)提供

研究人員表示，這些用實(shí)驗(yàn)室模型顆粒目前還不能用于實(shí)際的呼吸器，但具備很大的潛力。呼吸器的設(shè)計(jì)一直在緩慢發(fā)展，像Easyhaler®這樣的設(shè)備在一些臨床研究中顯示出更規(guī)律的使用和控制，錯(cuò)誤率也更低。然而，大多數(shù)患者還沒有體驗(yàn)到這種精確設(shè)計(jì)帶來的好處，至少目前還沒有。

即使是微小的改進(jìn)也能帶來巨大的改變。英國的一項(xiàng)研究估計(jì)，約有36.6萬名哮喘/慢性阻塞性肺�。–OPD）患者因呼吸器使用不當(dāng)，每年導(dǎo)致1620萬英鎊的意外醫(yī)療事故。同樣，西班牙因呼吸器使用不當(dāng)造成的資源損失高達(dá)數(shù)百萬歐元。更好的呼吸器可以幫助降低這些成本。

像 Pharmacone 這樣的設(shè)計(jì)可以幫助更多藥物到達(dá)肺部，即使患者的技術(shù)并不完美。研究人員解釋說，如果機(jī)械性能更好，呼吸器本身就可以承擔(dān)更多工作，彌補(bǔ)協(xié)調(diào)性差或吸入流量不一致的問題。但患者情況各不相同，尤其是兒童和老年人。例如，只有不到 20% 的老年 COPD 患者能夠正確使用呼吸器，而對(duì)于經(jīng)典的“噴霧”呼吸器和一種名為Turbuhalers 的干粉呼吸器 (DPI) 等設(shè)備，正確使用率甚至更低，分別僅為 11.9% 和 10%。

△掃描電子顯微鏡下的Pharmacone：圖片顯示Pharmacone載體顆粒與模型藥物混合后的狀態(tài)。圖片由基爾大學(xué)提供。

雖然這些粒子目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段，但需要開發(fā)可生物降解的版本才能投入臨床使用。另一個(gè)障礙是擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。為此，研究團(tuán)隊(duì)采用了雙光子聚合(2PP) 來實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別精度。2PP方法的工作原理是將激光聚焦到感光材料上，以驚人的精度逐點(diǎn)硬化它。傳統(tǒng)上，2PP 速度太慢，無法進(jìn)行大規(guī)模工作，但卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT) 最近取得了突破，改變了這一現(xiàn)狀。通過引入并行化，KIT 的研究人員可以同時(shí)打印 49 個(gè)結(jié)構(gòu)，而不是一次打印一個(gè)。使用這個(gè)升級(jí)的系統(tǒng)，基爾大學(xué)的研究小組可以成功地連續(xù)生產(chǎn)數(shù)百萬個(gè)相同的、細(xì)如發(fā)絲的粒子。這是使 Pharmacone 等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在藥物開發(fā)中實(shí)用化方面邁出的令人難以置信的一步。

△利用新系統(tǒng)打印的超材料由微米級(jí)復(fù)雜的三維晶格結(jié)構(gòu)組成。圖片由卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Vincent Hahn提供。

呼吸器的有效性取決于使用方式，誤用仍然是一個(gè)主要問題�；鶢柎髮W(xué)的 3D 打印 Pharmacone 顆粒很好地證明了更智能的設(shè)計(jì)如何幫助更多的藥物到達(dá)肺部，也為更好的呼吸器帶來了美好的前景。