腦癌藥物輸送系統(tǒng)中的金屬3D打印零件

神經(jīng)膠質(zhì)瘤（Diffuse Intrinsic Pontine Glioma）通常發(fā)生在10歲以下的兒童群體，這是一種死亡率極高的腦癌，迄今為止醫(yī)學(xué)界仍在探索治療此類(lèi)疾病的方法。Bristol皇家兒童醫(yī)院的神經(jīng)外科醫(yī)生嘗試通過(guò)腦部的藥物輸送手術(shù)將藥物輸送到腫瘤組織中來(lái)治療該疾病。

手術(shù)預(yù)規(guī)劃軟件、手術(shù)機(jī)器人和藥物輸送系統(tǒng)在治療過(guò)程中為醫(yī)生提供完整的技術(shù)支持。治療藥物將通過(guò)導(dǎo)液管直接進(jìn)入到腫瘤組織內(nèi)部，導(dǎo)液管在穿刺進(jìn)入大腦之前首先會(huì)在一個(gè)經(jīng)皮口處進(jìn)行匯合。

這個(gè)經(jīng)皮口是通過(guò)金屬3D打印和機(jī)械加工相結(jié)合的方式制造的。金屬經(jīng)皮口作為藥物輸送系統(tǒng)中一個(gè)“不起眼”的小零件有什么玄機(jī)？ 它將怎樣配合藥物輸送系統(tǒng)進(jìn)行腦癌的治療？ 本期，3D科學(xué)谷就和你一起看一看。


人腦的天然屏障

在了解這個(gè)問(wèn)題之前，我們先來(lái)了解一個(gè)醫(yī)學(xué)概念-血腦障壁(Blood-Brain-Barrier，BBB)。

什么是“血腦障壁”呢？一百年前，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)若將藍(lán)色染劑注入動(dòng)物的血管內(nèi)，除了腦以及脊髓以外的組織，身體其它部位通通都變成藍(lán)色。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，科學(xué)家認(rèn)為避免物質(zhì)由血液進(jìn)入腦部的血腦障壁應(yīng)是存在的。隨著科學(xué)的日益進(jìn)步，現(xiàn)今科學(xué)對(duì)于血腦障壁之結(jié)構(gòu)與功能有了較具體的了解�？偟膩�(lái)說(shuō)，血腦障壁有以下三個(gè)重要功能：

1、保護(hù)腦部不受血液中外來(lái)物質(zhì)的傷害
2、保護(hù)腦部遠(yuǎn)離來(lái)自身體其它部位之荷爾蒙與神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)之影響
3、維持腦中環(huán)境的衡定

也就是說(shuō)由于人腦的血腦障壁功能，依靠化療的方法來(lái)治療腦癌的難度就增加了。因?yàn)槌Ｒ?guī)的化療方法是依靠血液循環(huán)將藥物輸送到腫瘤組織，從而殺死癌細(xì)胞，但是血腦障壁功能會(huì)阻礙藥物進(jìn)入腦組織。

怎樣繞開(kāi)血腦障壁來(lái)治療腦癌等疾病呢？Bristol 皇家兒童醫(yī)院的腦神經(jīng)外科醫(yī)生嘗試了一種新的治療方法。


繞開(kāi)屏障

Bristol 皇家兒童醫(yī)院的腦神經(jīng)外科醫(yī)生的新方法原理是通過(guò)繞開(kāi)血腦障壁將化療藥物直接推送到腦腫瘤組織，從而避免藥物在血液循環(huán)中受到血腦屏障的阻礙。2013年該團(tuán)隊(duì)已使用同樣的方法進(jìn)行了治療帕金森癥的二期臨床試驗(yàn)。

將藥物輸送至腦部指定位置需要借助規(guī)劃性的、精密性軟件和設(shè)備。雷尼紹（Renishaw）公司為外科醫(yī)生提供了完整的解決方案，包括：

· 手術(shù)預(yù)規(guī)劃軟件neuroinspire™ 幫助神經(jīng)外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃。
· 神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人（neuromate stereotactic robot ），任務(wù)是將穿刺針、電極等器械準(zhǔn)確送到預(yù)定靶點(diǎn)，協(xié)助醫(yī)生完成手術(shù)。

通過(guò)這些技術(shù)，微型導(dǎo)液管、電極等植入物可以按照預(yù)規(guī)劃的角度插入到腦部的指定位置。在Bristol 皇家兒童醫(yī)院探索的新治療方法中，是通過(guò)多條插入腦部的導(dǎo)液管將藥物輸送到腫瘤組織內(nèi)部。使用的藥物管理裝置是對(duì)流增強(qiáng)型輸注裝置（CED），作用是讓輸送的藥物在高濃度和更大面積的情況下更加均勻，將藥物保留在需要的腦組織內(nèi)，并減少副作用。通過(guò)這個(gè)附著在經(jīng)皮口外部的裝置，藥物被輸送到患者腦部。通過(guò)這些裝置可以間歇性的給藥，以控制藥物輸送的率。

上圖展示了藥物輸送系統(tǒng)。在左圖中，患者耳后的金屬孔是金屬3D打印的經(jīng)皮口。在右圖中，位于患者耳后的是4根導(dǎo)液管和金屬3D打印的藥物管理裝置，該裝置附著在經(jīng)皮口外面。通過(guò)這些導(dǎo)管和金屬零件，藥物被間歇性的輸送到大腦，其輸送率可以得到控制。

4根外部導(dǎo)液管在植入到頭骨中的經(jīng)皮口處進(jìn)行匯集，并通過(guò)經(jīng)皮口內(nèi)部微小而復(fù)雜的通道連接到已經(jīng)穿刺到腦部的導(dǎo)液管。治療藥物則順著外部導(dǎo)液管、經(jīng)皮口、內(nèi)部導(dǎo)液管進(jìn)入到腫瘤組織。

金屬經(jīng)皮口中包含的微小而復(fù)雜的內(nèi)部通道，以及類(lèi)似于人體頭骨的紋理特征都決定了3D打印是理想的制造方法。由于對(duì)經(jīng)皮口的精度要求極高，在完成3D打印之后還需要進(jìn)行精加工。

金屬3D打印的經(jīng)皮口雖然是整個(gè)腦癌治療過(guò)程中一個(gè)不起眼的小零件，但它是藥物進(jìn)入到大腦的必經(jīng)之路，一邊連接著外部的藥物輸送裝置，另一邊連接著內(nèi)部導(dǎo)液管。因此它不僅需要具有良好的生物相容性，還需要保證藥物流暢、順利的輸入到內(nèi)部的導(dǎo)液管中。同樣的藥物輸送裝置不僅可以用于治療腦癌，還可以用來(lái)治療其他神經(jīng)外科疾病。

來(lái)源：3D科學(xué)谷