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。



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，呼吸這樣簡單的動作變成了一場持久的奮斗，并可能危及生命。對這種病進行治療時，傳統(tǒng)治療方法往往效果不佳，許多孩子不得不長時間依賴呼吸機生活，極大地干擾了日常生活，也限制了與家庭一起進行正�；顒拥哪芰�。


△ 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)院的專家團隊研制了一種可生物吸收的氣管支架。這個創(chuàng)新設(shè)備由可降解材料制成，通過3D打印技術(shù)定制設(shè)計來適應(yīng)每位患者氣管的獨特解剖結(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)氣管軟骨逐漸增強時，支架會逐漸溶解，從而無需再進行手術(shù)移除。


△ 3D打印氣管支架

來自亞特蘭大兒童醫(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)的擴大準(zhǔn)入試驗的一部分。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)志著對氣管軟化癥的治療已經(jīng)步入新時代�！�


△ 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。事實上，這項突破性的進展經(jīng)過了多年的研發(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)致氣道塌陷而無法正常呼吸的三個月大嬰兒體內(nèi)。這項突破性醫(yī)學(xué)進步曾在全球引起轟動，并為其他面臨類似危及生命狀況的家庭帶來希望。


△ 3D MedFab 團隊

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)實驗室（Hollister Lab）以及3D醫(yī)學(xué)制造中心（3DMedFab），致力于利用先進的3D打印技術(shù)開發(fā)針對患者的具體醫(yī)療設(shè)備。在2017年，Hollister重新設(shè)計了氣道支架，以治療名叫Ramiah Martin的無氣管嬰兒。出生即無氣管這一幾乎致命的狀況，讓Ramiah Martin成為首個接受此類針對性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)療團隊的協(xié)作和佐治亞理工學(xué)院的創(chuàng)新技術(shù)，Ramiah Martin獲得了生存的機會。


△ Ramiah Martin

Hollister Lab利用基于影像的患者特定建模設(shè)計這些救命設(shè)備。他們使用CT掃描和MRI等成像數(shù)據(jù)創(chuàng)建每位患者獨特解剖結(jié)構(gòu)的精確數(shù)字模型。定制設(shè)計完成后，3DMedFab使用最先進的3D打印設(shè)備將其實現(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。這臺機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機器，實驗室還使用專門的生物打印機，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月大嬰兒

實驗室的設(shè)備庫還包括其他先進打印機，如Stratasys J750，這臺機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)建實驗室工具和夾具。對于需要高分辨率和專業(yè)材料的項目，他們則使用光固化打印機，如Cellink的Lumen X Bioprinter和Formlabs的Form 2。

在Hollister的領(lǐng)導(dǎo)下，通過整合研究、設(shè)計與制造，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25個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了新希望。由于每個支架都針對每位兒童氣道的獨特解剖結(jié)構(gòu)量身設(shè)計，這種個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。對于像Justice Altidore和Ramiah Martin這樣的兒童來說，這意味著擁有正常生活的機會——有機會奔跑、玩耍和自由呼吸，而不再害怕。

展望未來，團隊希望擴大這一救命技術(shù)的使用范圍。通過進一步的臨床試驗和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。