3D打印氣道支架的研究進展

孔穎穎 張杰

支架是治療氣道狹窄的重要手段,常用支架采用注塑或編織工藝制備,規格有限,而患者氣道解剖結構和狹窄程度各異,支架無法與之精準匹配,尺寸過小容易移位,尺寸過大與氣道粘膜產生摩擦,導致肉芽組織形成、氣道再狹窄。傳統個性化定制需要為每位患者設計制造新模具,耗時長、成本高。3D 打印可快速定制而不增加成本,在耳鼻喉科、心內科、胸外科、骨科、泌尿外科已走向臨床應用,打印假肢、外固定架、夾板、冠脈支架、輸尿管支架及手術器械[1]。但3D打印在氣道的應用尚處于起步階段。其優勢在于:(1)可打印患者氣道模型,用于氣道管理及臨床教學[2]。(2)打印氣道支架,包括氣管內支架、氣管外支架(亦稱夾板,置于軟化的氣道周圍并固定,撐起塌陷氣道治療兒童氣管軟化癥)。(3)人造氣管[3]。本文首次總結氣道內支架的打印技術、打印材料、相關研究、局限性,期望為后續支架研制提供參考。

一、3D打印技術

1 打印流程

(1)CT采集圖像。(2)三維模型的建立及優化:使用Mimics軟件獲得呼吸道3D模型,設計支架形狀,三維建模得到STL (standard triangle language)文件。(3)打印:將STL文件導入軟件,傳輸到打印機,設置打印溫度、打印速度等參數,打印氣道支架。

2 打印技術

按原理分兩類[1]。

(1)熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM):將融化的熱塑性材料擠出到3D打印平臺上,層層堆積逐步鋪設。簡單、通用、便宜,但打印速度慢、支架精度差。受溫度影響,FDM打印的生物可降解氣道支架不夠穩定,塑形時容易發生應力松弛甚至永久變形[4],而光固化技術可克服這一缺陷。

(2)光固化技術:氣道支架打印中占主導地位[5],按光源和照射方式分為兩種。立體光固化成型 (stereo lithography appearance,SLA):在紫外光的照射下,液態光敏樹脂被固化成固體。打印精度高,但設備和耗材價格相對高;未來氣道支架技術的發展重點是藥物輸送,由于SLA是一種低溫3D打印技術,不會導致藥物的熱降解,適合打印藥物洗脫支架[5]。數字光處理技術(digital light processing,DLP)是第二代光固化技術,SLA進行光固化時是一個點一個點固化的,打印速度相對慢,而DLP是整層同時固化,打印速度快、尺寸精度高。但能夠用于DLP打印的材料非常有限,只有生物相容及可降解的低聚物或短鏈聚合物(低粘度)才能滿足打印要求,而這類材料成型后質地堅硬且脆,無法構建具有柔韌性、彈性的氣道支架。近年來巨大進步是通過調控兩種可降解聚合物的比例來調控材料特性[6],使之適合DLP打印。

二、3D打印氣道支架材料的選擇

理想的支架應具有以下特性[4]:(1)柔韌性好、置入過程中不發生斷裂。(2)生物可降解,不需要二次手術取出支架。(3)良好的組織相容性。(4)能提供有效的氣道擴張作用:支撐機械強度高、軸向收縮少。(5)可控地釋放藥物,抑制肉芽組織增生。滿足上述條件的3D打印材料比較有限。目前FDA批準的有聚己內酯(polycaprolactone,PCL)、聚乳酸(polylactic acid,PLA)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly lactic-co-glycolic acid,PLGA)。這些材料可單獨使用,也可組合在一起,力學特性取決于聚合物的混合比例[7]。不同用途的支架可選擇不同材料:(1)聚己內酯:較低的熔點 (約60°C)便于融化、容易成型、可經環氧乙烷消毒,可在FDM中應用。在體內保留2～3年后消失,是兒童氣管軟化癥氣管外支架的理想打印材料,早在2015年已被用于打印氣管外支架[8],Guerra[9]還為制作PCL支架專門開發了FDM打印機。(2)聚乳酸:理想的熱塑性聚合物,有多種立體結構,其中的聚左旋乳酸(poly-L-lactide,PLLA)由于堅韌性和較高的楊氏彈性模量,是氣道支架的合適材料,也可作為藥物載體[1],有研究證實雷帕霉素洗脫PLLA-PCL支架可在體內減少氣管瘢痕形成[10]。(3)PLGA:因生物降解可調控而廣泛應用于載藥支架[11]。除此之外,還有醫用級熱塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene,ABS)等。

三、3D打印氣道支架的相關研究

氣道支架有兩種打印方式,間接打印:先打印支架模具,再向模具中注入醫用級液態硅膠,得到硅膠支架。雖然最終植入體內的支架并非直接3D打印的,但此模具卻是整個過程中最重要的,因為它精確再現了患者的支氣管形狀。直接打印是將材料直接打印成氣道支架。

1 間接打印

早期支架定制多基于間接方法,Evila L.Melgoza等[12]以ABS為原材料,通過FDM技術打印出支架模具,再獲得硅膠支架。但硅膠和模具之間有時容易粘結,支架難以從模具中移除,M.K?nigshofer等[13]使用脫模劑克服了該問題,他們以牙科 Dental SG樹脂為材料,通過SLA技術打印出支架模具,再獲得硅膠支架,具有與有機硅材料相似的力學特性(特別是在抗撕裂和彈性方面)。2021年,Liu J.等[14]制備了一種新型多孔硅膠氣管支架:利用DLP打印支架模具,將液體硅膠注入模具中得到多孔氣管支架。再在孔隙中填充硅膠海綿(65%氯化鈉+35%碳酸氫鈉+液體硅膠),以防止肉芽組織向內生長,同時有利于營養物質擴散、促進氣道上皮細胞黏附。研究者應用離體豬氣管對支架的力學性能進行了評價,該支架支撐性足夠,具有更優越的抗遷移性能,為治療氣道狹窄帶來新思路。

臨床研究方面,盡管數量有限,但安全性和有效性已得到證實,對于氣道嚴重扭曲、分支角度不常見的復雜解剖結構,3D打印支架具有很大優勢。2017年,法國發表了世界上首例3D間接打印氣道支架的臨床應用[15]。患者肺移植后右肺中間段狹窄,合并吻合口瘺,傳統支架無法處理,將3D間接打印的硅膠支架經氣管鏡置入狹窄彎曲的移植后氣道,患者呼吸困難、生活質量和肺功能都得到了改善,無并發癥。2018年,美國克利夫蘭醫學中心Thomas R.Gildea[16]等將3D間接打印的Y型硅膠支架,置入了2名因韋格納肉芽腫導致雙側氣道狹窄的患者,傳統方法定制的硅膠支架在Y型連接處太厚太大,無法成功植入,患者每兩周需行氣管鏡下介入治療。置入3D打印支架后觀察1年,支架貼合性好、肉芽組織減少,癥狀明顯改善,兩次氣管鏡間隔拉長,每次氣管鏡下治療時間明顯縮短。除了完美貼合外,3D打印氣道支架在使用時間上也具有優勢。傳統氣管支架由于匹配不良,需經常更換,一般可使用90天,而3D打印支架平均使用時間長達一年。目前FDA已批準克利夫蘭醫學中心開發的3D打印氣道支架。Nicolas Guibert[17]納入了10例解剖結構復雜的氣道狹窄患者:有效性方面,置入打印支架后,8名患者得到顯著改善,呼吸困難(New York Heart Association scale,NYHA分級)改善>1級、VQ11-生活質量問卷評分改善>10%,肺功能中第一秒用力呼氣容積或峰值呼氣流速變異率增加>10%,有患者在置入23個月時仍無不適癥狀。安全性方面:3個月時并發癥發生率為40%,包括1例良性粘液堵塞,1例嚴重氣管支氣管軟化癥患者因劇烈咳嗽取出支架,2例氣切術后狹窄的患者發生支架移位(應用傳統支架時也多次遷移)。40%的并發癥發生率似乎高于常規支架,但這是由患者復雜性決定的(10名患者中,有7名之前經傳統支架治療失敗,剩余3例為移植后氣道狹窄,無法置入常規支架)。除氣道狹窄外,3D打印硅膠支架還可顯著改善氣管支氣管軟化和過度動態氣道塌陷患者的病情[18],傳統的硅酮支架直徑和長度太小,無法提供足夠的支撐。大直徑的自膨脹金屬支架由于肉芽組織增生、支架斷裂和瘺的風險,不宜使用,而置入3D打印支架術后5個月,患者仍無不適。

2 直接打印

多孔氣道支架很難從模具中移除,需采用直接打印方式,因不需要制作模具,打印速度更快,1～2天可完成[19]。Daniel Franzen[6]首次報道了DLP技術打印的生物可降解氣道支架。(1)材料上:將兩種不同分子量的單體D,L-丙交酯(D,L-lactide,DLLA)和ε-己內酯(caprolactone,CL)進行共聚,調控高分子量和低分子量光聚合物的比例,使材料兼備高分子量的強度、低分子量聚合物的彈性,能夠承受徑向壓縮和卷曲過程中產生的高應力,機械性能可與商業硅膠支架媲美。(2)生物相容性:將3D打印材料的提取物與人肺上皮細胞共培養,測得細胞活力不受影響,生物相容性好。(3)可降解性:支架置于37°C和50°C的磷酸鹽緩沖液,溫度較高時降解快,而生理溫度(37°C)下從第4個月開始有明顯降解。(4)動物試驗:置入兔氣道內,支架貼合性好,無移位,7周后完全降解,對氣道無損傷。Bengi Yilmaz等[20]首次使用SLA方式直接打印出多孔氣道支架,高孔隙率有助于防止粘液潴留。打印材料為生物可降解的光聚合樹脂(ECO UV樹脂),該樹脂可與SLA、DLP的打印機兼容。此外,研究驗證了支架的抗壓強度,應力應變行為。國內生物化學專業的李榮榮[21]首次制備了3D打印可降解藥物洗脫支架:以醫用級熱塑性聚氨酯(TPU)為基材、添加HM-531 親水改性劑,制備TPU/HM-531材料;采用FDM打印出藥物洗脫氣道支架,其徑向支撐性能和壓縮強度優于鈦合金覆膜氣道支架。生物相容性方面:采用打印材料的浸提液對小鼠成纖維細胞進行細胞毒性測試,CCK-8(cell counting kit-8)測試對細胞增殖無影響,無毒性。藥物釋放方面:HM-531親水改性劑的溶出效應構建微孔通道,實現藥物的可控釋放。改變支架外層親水改性劑HM-531 用量可調控藥物釋放行為,紫杉醇氣道支架的體外模擬釋放持續時間達90 天,釋放的濃度可抑制肉芽組織過度增生。本研究為新型氣道支架的產品開發和臨床應用奠定了良好的實驗基礎,有望解決支架移位和反復再狹窄等臨床難題。

臨床研究方面,Annangi S.等[19]首次將3D直接打印氣道支架應用于一例肺移植術后氣道狹窄的患者。該患者移植后左主支氣管狹窄同時彌漫性軟化,先后嘗試圓柱形、Y型硅膠支架均無法充分吻合,支架發生移位、肉芽組織增生,最后左上葉閉塞,肺功能進行性下降,再次被列入肺移植名單。研究者采用FDM法以醫療級聚氨酯打印出氣道支架,充分貼合,支架無移位,無明顯肉芽組織形成。患者癥狀顯著改善,第1秒用力呼氣量從預期的41%改善到84%,并在15個月的隨訪期間保持穩定,最終從移植等待名單中除名。

綜上所述,3D打印氣道支架在困難氣道處置中發揮優勢,已有研究涉及[17]肺移植后、肺葉切除術后、氣管支氣管軟化癥、氣管切開術后的氣道狹窄,目前尚未應用于肺惡性腫瘤侵襲氣道所致的狹窄。

四、3D打印氣道支架存在的問題

主要瓶頸是尋找最佳材料,如何加強可降解支架的機械支撐力、提高組織相容性、控制降解速率及攜帶藥物,有待進一步改善。然后是滅菌,常用的滅菌程序有高溫滅菌、環氧乙烷氣體等。聚乳酸熔點很高(250℃),可以進行121℃的蒸汽殺菌[22]。但大多數3D打印熱塑性材料比如PCL無法耐受高溫,紫外線對PCL的性能影響很大,需換用環氧乙烷、低溫等離子體[23]、70%乙醇或抗生素溶液。然而,液體消毒技術可能會影響藥物洗脫支架的藥物擴散。因此,需根據不同打印技術及材料研究合適的滅菌方式。最后的障礙是介入肺科醫生無法輕松使用建模軟件和制造3D打印的平臺,可與生物醫藥、材料科學交叉融合,共同開發新型支架。

五、展望

3D 打印氣道支架應用前景廣闊,藥物涂層、可降解支架也是研究熱點[24],生物可降解氣道支架國外已應用于臨床并初顯療效。藥物涂層支架方面,雖然雷帕霉素冠脈支架效果明顯,但雷帕霉素氣道支架尚停留于動物試驗。3D 打印生物可降解載藥支架是一種具備理想綜合性能的氣道支架,是今后重要發展方向之一。