佐治亞理工學院創(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Α�


△ 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)新設備由可降解材料制成，通過3D打印技術定制設計來適應每位患者氣管的獨特解剖結構，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和埃默里大學醫(yī)學院的小兒耳鼻喉科醫(yī)生Steven Goudy負責了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）批準的擴大準入試驗的一部分。佐治亞理工學院的研究人員表示：“所有四名兒童的呼吸能力都得到了顯著改善，這一前所未有的結果標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打印技術在氣管康復中的應用并非首次。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，因嚴重的氣管支氣管軟化癥導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

加入佐治亞理工學院后，Hollister繼續(xù)他的開創(chuàng)性工作。目前，他領導著組織工程與力學實驗室（Hollister Lab）以及3D醫(yī)學制造中心（3DMedFab），致力于利用先進的3D打印技術開發(fā)針對患者的具體醫(yī)療設備。在2017年，Hollister重新設計了氣道支架，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)作和佐治亞理工學院的創(chuàng)新技術，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計這些救命設備。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構的精確數(shù)字模型。定制設計完成后，3DMedFab使用最先進的3D打印設備將其實現(xiàn)。Hollister Lab的核心設備之一是EOS P110激光燒結系統(tǒng)，采用聚己內(nèi)酯（PCL）粉末來制造復雜的、生物可降解的支架和適用于人類臨床應用的醫(yī)療設備。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)建救命設備所必需的。3DMedFab還可以生產(chǎn)其他醫(yī)學相關的支架，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構中生成高質(zhì)量的手術模型，幫助醫(yī)生為復雜手術做準備。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的領導下，通過整合研究、設計與制造，喬治亞理工學院站在了開發(fā)創(chuàng)新醫(yī)療設備的前沿，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備植入患者體內(nèi)，為患有嚴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構量身設計，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的使用范圍。通過進一步的臨床試驗和FDA批準，希望3D打印氣管支架將成為患有TM和其他嚴重氣道疾病兒童的標準治療選擇。