利用病人的CT掃描和高原子序數(shù)材料，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠3D打印定制的裝置，防止伽馬和x射線引起的胃腸道或口腔組織輻射毒性。科學(xué)家們認(rèn)為，如果用于治療頭頸部或前列腺癌患者，它們的防護(hù)層可以在不降低治療腫瘤輻射劑量的情況下，將口腔和胃部的輻射分別減少30%和15%。

“當(dāng)我們用放射治療患者時(shí)，能借此取得很好的平衡。我們想要用最大的劑量來(lái)縮小腫瘤同時(shí)又不損害健康組織，”布里格姆，麻省總醫(yī)院和達(dá)納法伯癌癥研究所放射腫瘤學(xué)高級(jí)住院醫(yī)師James Byrne說(shuō)，“通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，我們的目標(biāo)是找到一種創(chuàng)新的解決方案，為患者提供個(gè)性化保護(hù)。這種個(gè)性化的方法可能適用于各種癌癥，并且有潛力能夠用來(lái)減少患者遭受的放射損傷和毒性。”

治療輻射毒性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過(guò)一半的癌癥患者將接受某種形式的放射治療，但盡管這種療法可以有效殺死腫瘤細(xì)胞，它也可能對(duì)其他健康組織產(chǎn)生毒性。僅在美國(guó)，每年就有20多萬(wàn)患者遭受輻射誘發(fā)的口腔黏膜炎、食管炎和直腸炎，有時(shí)嚴(yán)重到足以讓他們完全停止治療。

目前，醫(yī)生傾向于使用物理間隔物來(lái)防止粘膜炎，但這些通常只能提供有限的保護(hù)，甚至可能導(dǎo)致額外的副作用。為了在不限制其療效的情況下降低放射治療的發(fā)病率，該團(tuán)隊(duì)因此指出，患者需要有針對(duì)性的防護(hù)，使治療更容易接受，從而促進(jìn)患者貫徹治療，并最終提高他們的生存機(jī)會(huì)。

該研究的共同作者Giovanni Traverso說(shuō):“對(duì)于胃腸病學(xué)家來(lái)說(shuō)，看診一個(gè)正經(jīng)歷著輻射副作用的病人來(lái)咨詢食道、小腸或胃腸道其他部位病癥，并不罕見(jiàn)。”“幾年前，詹姆斯和我開(kāi)始集思廣益——我們有沒(méi)有可能開(kāi)發(fā)出一種可以幫助保護(hù)輻射場(chǎng)中相當(dāng)一部分正常組織的防護(hù)裝置呢?”

研究人員發(fā)現(xiàn)，3D打印的防護(hù)裝置可以使動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)象的輻射暴露降低多達(dá)30%。圖片來(lái)自Giovanni Traverso

防輻射3D打印

考慮到輻射引起的毒性通常在口腔、肺部和前列腺癌患者中最高，臨床研究人員選擇開(kāi)發(fā)專門設(shè)計(jì)的防護(hù)裝置保護(hù)這些區(qū)域組織。然而，在3D打印輻射防護(hù)裝置之前，科學(xué)家們需要確定這項(xiàng)任務(wù)的最佳“高z材料基礎(chǔ)”。

最初的測(cè)試涉及將各種合金和塑料暴露在6 MV光子輻射下，結(jié)果表明元素材料具有最高的衰減，這使得研究小組開(kāi)發(fā)了一種含鉛和鉍的樹(shù)脂。配制好原料后，科學(xué)家們利用診斷性“DICOM”CT掃描來(lái)創(chuàng)建多個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室大鼠的口腔、腸道和直腸的精確3D模型。

有趣的是，這些模型揭示了受試患者的解剖結(jié)構(gòu)存在巨大差異，并允許科學(xué)家個(gè)性化每一個(gè)裝置，使它們的植入更舒適，并優(yōu)化其輻射防護(hù)。然后，使用Formlabs Form 2 3D打印機(jī)制作防護(hù)裝置，并將其口服植入7個(gè)樣本中，以保護(hù)50%通常處于放射毒性風(fēng)險(xiǎn)中的組織。

研究人員的四步輻射屏蔽生產(chǎn)過(guò)程。圖片來(lái)自《先進(jìn)科學(xué)》雜志。

7只未受輻射保護(hù)的大鼠患上了輻射引起的舌頭潰瘍，而7只受到輻射保護(hù)的大鼠則完全沒(méi)有任何副作用。在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，將一組類似的口腔內(nèi)，食道和直腸裝置植入豬標(biāo)本中，這些裝置可使腸道輻射減少15%，口腔頰粘膜毒性減少30%，而不影響腫瘤輻射的劑量。

與傳統(tǒng)的水凝膠墊片相比，臨床醫(yī)生還發(fā)現(xiàn)，他們的設(shè)備在提供相同療效水平的同時(shí)，成本降低了約40%。因此，該團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，盡管在他們的防護(hù)裝置能夠進(jìn)入人體試驗(yàn)之前還需要進(jìn)一步的評(píng)估，但其概念仍有望在將來(lái)最終應(yīng)用，以減少各種不同癌癥患者的放射療法副作用。

研究人員在論文中總結(jié)道:“個(gè)性化的3D打印放射防護(hù)裝置在降低臨床環(huán)境中的輻射毒性方面具有巨大潛力。這種個(gè)性化的方法可以應(yīng)用于各種對(duì)放療有反應(yīng)的癌癥，包括頭頸部、肺部、前列腺、肛門、皮膚、婦科癌癥、肉瘤和淋巴瘤。”

3D打印癌癥緩解設(shè)備

通過(guò)結(jié)合3D打印和掃描技術(shù)，現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更容易生產(chǎn)針對(duì)患者的設(shè)備，從而減輕那些癌癥治療患者的痛苦。浦項(xiàng)科技大學(xué)(POSTECH)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了3D打印食管支架，用于緩解放射治療患者的吞咽困難。

將來(lái)，POSTECH團(tuán)隊(duì)相信他們的設(shè)備可以裝載細(xì)胞來(lái)治療組織特異性炎癥或用于處理日常傷害，如割傷或燒傷。與此類似，Adaptiiv Medical Technologies的軟件經(jīng)常被部署到3D打印腫瘤設(shè)備上，該設(shè)備能夠調(diào)節(jié)輻射劑量以解決患者組織缺失的問(wèn)題。

在其他地方，漢陽(yáng)大學(xué)的科學(xué)家也在使用增材制造制造高效伽馬輻射探測(cè)器。在測(cè)試過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)的新型設(shè)備已經(jīng)證明了與商業(yè)閃爍體相似的衰減時(shí)間和內(nèi)在檢測(cè)效率，使其在需要快速檢測(cè)的領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。

研究人員的發(fā)現(xiàn)在其題為“胃腸道粘膜保護(hù)的個(gè)性化輻射衰減材料”的論文中得到了詳細(xì)說(shuō)明。