科學家3D打印出可用于乳腺癌治療的新型放射治療天線

2021年5月22日，南極熊獲悉,，北卡羅來納州立大學的研究人員利用3D打印技術開發(fā)出性能更優(yōu)的輻射接收天線，供癌癥患者在微波乳房熱療過程中穿戴,。

與主流的放療裝備相比,，這種新型接收器使用更為靈活，沒有那么笨重,，可以打印成適合的病人特定幾何形狀,，使其在治療過程中減少不適感。通過調整他們的天線的填充水平,，科學家們還發(fā)現(xiàn)他們能夠調整其介電常數(shù),，通過一個電磁（EM）模擬器優(yōu)化其在不同暴露水平下的性能。

△科學家們的3D打印放療天線裝置,。圖片來自《國際跨學科研究雜志》

讓放療更容易接受

微波乳腺熱療是一種癌癥治療方法,，受影響的組織局部暴露于高度聚焦的電磁輻射束下，通過熱消融損害惡性細胞,。雖然這個過程是非侵入性的,，但目前它需要使用沉重的天線裝置，這使得本來就不討人喜歡的治療方式對病人來說更加不舒服,。

在過去,，人們對可穿戴的替代品進行了大量研究，但這些研究在很大程度上局限于手工生產的紡織品或笨重的水冷設備,。然而,，近幾年里科學家們越來越多地采用3D打印技術來更快速地生產天線，使這些天線擁有更強的靈活性,，因此比許多傳統(tǒng)的設計更讓病人感到舒適,。

同樣，北卡羅來納州的團隊在他們之前的研究中發(fā)現(xiàn),，他可以通過提高棉花制品的孔隙率來改善天線增益效果�,，F(xiàn)在,，研究人員進一步假設，有可能通過調整接收器的填充物來使它們不僅穿戴舒適,，而且具有優(yōu)化的加熱性能和抗癌功效,。

△科學家們的測試程序示意圖。圖片來自《國際跨學科研究雜志》

制造輻射接收裝置

鑒于調整天線的介電性能對優(yōu)化其性能至關重要,，科學家們著手確定它們是如何受到其內部填充物水平的影響,。為了實現(xiàn)這一目標，該團隊使用Luzbot Taz 6 FDM 3D打印機生產了三種不同的基于TPU的設備,，其特點是體積百分比為40%,、70%和100%。

研究人員的天線由安裝在電介質基底上的導電貼片組成,，有一個3毫米厚的TPU頂層,，以防止它們與病人的皮膚直接接觸。在使用過程中,，這些設備的貼片理論上能夠向自然半球的乳腺組織中心傳遞微波輻射,，將癌細胞加熱到39-45℃，并使其失去活性,。

為了測試他們的新型放射治療設備的功效,，北卡羅來納州的科學家們將它們連接到一個實驗室制造的半徑為50mm的"乳房模型"上，并對它們進行了廣泛的電磁模擬試驗,。有趣的是,，研究小組發(fā)現(xiàn)，將天線的填充物百分比從100%降低到43.6%,，使其介電常數(shù)從2.36降低到1.59,，而且這種關系是可預測的，也是線性的,。

△人工 "乳房模型"內模擬輻射吸收率的成像,。圖片來自《國際跨學科研究》雜志

此外，70%和100%體積的設備都表現(xiàn)出2.30 GHz的共振,，并在5-7毫米深的組織中提供了35-60 W/kg的輻射吸收率,，遠在低溫應用推薦的8-83 W/kg之內。然而,，每根天線也被證明對超過15毫米深的組織無效,，而且40%填充物的原型沒有足夠的穩(wěn)定性來保持其半球形的形狀。

因此,，研究人員得出結論,，他們已經成功地計算出他們的放療接收器的介電常數(shù)和固體體積百分比之間的線性關系，但他們沒有在體外應用中部署,，如果要部署,，也僅限于治療乳房的淺層區(qū)域,。

科學家們在他們的論文中解釋道："所采用的乳房模型是同質的，沒有精確地模仿人體的實際生物物理表現(xiàn),。"真實的女性乳房中有無數(shù)的成分,，所有這些成分都可能影響加熱的效果。因此,，為了進一步研究,，考慮一個更真實的模型是必不可少的。

3D打印的乳腺癌補救措施

無論是能夠增加組織保留的3D打印聚合物導板,，還是患者特定的生物打印植入物,，研究人員繼續(xù)尋找?guī)椭�乳腺癌幸存者康復的新方法。例��,，韓國峨山醫(yī)療中心的臨床醫(yī)生將掃描與3D打印相結合,，創(chuàng)建了可定制的手術指南，從而改善了乳房切除術患者的治療效果,。

在其他地方，以色列3D生物打印公司CollPlant至少從2019年起就開始制作乳房組織再生植入物的原型,。這家公司認為,，在未來，其基于膠原蛋白的移植物可以為患者提供一個更安全的替代品,，以取代更傳統(tǒng)的永久性乳房植入方法,。

同樣，3D打印支架開發(fā)商BellaSeno已經與贏創(chuàng)公司達成協(xié)議,，將其RESOMER聚合物作為ISO認證的Senella乳房植入物系列的基礎,。最終，該公司的目標是通過創(chuàng)造可被人體安全吸收的植入物,，改善乳房重建,、隆胸和修復手術的程序。

具體的研究結果詳見論文："3D-printed thermoplasticpolyurethane for wearable breast hyperthermia”,，該論文由YusukeMukai,、Sixian Li和Minyoung Suh共同撰寫。

論文鏈接：https://fashionandtextiles.springeropen.com/articles/10.1186/s40691-021-00248-7