一種用於人工氣管三維列印的四軸聯動技術

背景：已經報導了幾種類型的三維(3D)列印氣管支架。然而，這些研究大多集中在將最終產品應用於活體動物研究，而不能顯示各種3D列印方法、材料或參數對創建最佳3D列印氣管支架的影響。本研究的目的是用四軸熔融沉積建模(FDM)方法對聚己內酯(PCL)氣管支架進行三維列印表徵，並確定不同的添加劑製造方法對支架性能的影響。

方法：將標準的FDM氣管三維模型應用於4軸FDM支架和常規FDM支架。對支架的形貌、力學性能、孔隙率和細胞毒性進行了評價。將支架植入兔7.9~10 mm人工氣管缺損處。術後4周和8周，對重建部位進行支氣管鏡檢查、影像學和組織學分析。

結果：與傳統支架相比，4軸FDM提供了更高的尺寸精度，更接近於基於CAD軟體的設計，具有預先定義的孔徑和孔的連通性。4軸氣管支架具有優良的力學性能。

結論：研究團隊認為4軸FDM工藝更適合於研製精確的、機械性能優越的氣管支架。

Keyword:三維列印、氣管、腳手架、4軸、熔融沉積模擬

氣管組織工程尤其重要，因為氣管狹窄或阻塞導致的死亡率很高。各國專家團隊已經嘗試使用各種組織工程化人工氣管替代物來修復節段性氣管缺損。然而，由於氣道狹窄(吻合口肉芽組織過度生長)、氣道塌陷(支架軟化和扁平)和粘液嵌塞(由於缺乏呼吸道上皮)，並沒有一種讓人滿意的修複方式。

在這裡，Hae Sang Park團隊開發了一種聚己內酯(PCL)3D列印氣管支架，採用4軸FDM工藝。4軸FDM將結構建立在旋轉印刷板上，並已被認為是一種可行的血管支架製造技術。研究團隊假設由相同材料製成的支架的性能可以根據材料的沉積方式而改變，而4軸FDM技術更適合於製作精心製作的氣管支架，因為氣管是一個中空的圓柱形器官，類似於血管支架，在各種可生物降解的合成材料中，PCL是FDA批准的一種聚合物，具有優異的機械強度和耐久性，具有相當的生物相容性。

https://doi.org/10.1007/s13770-018-0136-8

此外，PCL是水溶性的，不需要使用與當前3D列印系統不兼容的有機溶劑。本研究的目的是用4軸FDM法對PCL氣管支架進行三維列印表徵。對支架的形貌、力學性能、孔隙率、吸水率、膨脹率和細胞毒性進行了評價，並進行了動物實驗。將這些性能與用傳統FDM方法3D列印的PCL氣管支架的性能進行了比較。

圖1、氣管支架的CAD建模圖像(A-C)，以及製作3D列印的氣管支架的流程示意圖(D，E)、俯視圖、B正面視圖、C三維重建視圖、三維四軸技術、E常規技術

動物實驗選用4隻雄性紐西蘭兔，約3月齡，體重3.0~3.5 kg。這項研究得到了韓國春川Hallym大學(IRB 2016-64)機構審查委員會的批准。動物通過肌肉注射5毫升佐利替利混合液進行麻醉。和2.5毫升Rumpun，按0.5ml kg-1在大腿區域注射。每隻兔子都被放在仰臥位置，頸部略微伸展。在頸部正中線作垂直皮膚切口，剝離皮帶肌至氣管前壁和喉部。從第四~第六氣管環切除一塊直徑為7~10 mm的氣管軟骨。缺損用3D列印的支架覆蓋，並縫合。縫合帶肌，用尼龍縫合皮膚切口。(圖2)。

圖2、紐西蘭大白兔氣管支架植入術。氣管的露出。BA7、9、10 mm氣管軟骨切除(箭頭)。缺損區植入C4軸PCL支架。將常規PCL支架植入同一下頜骨缺損區。

圖3顯示了支架的外觀。4軸支架的實測內徑為18±0.3 mm，常規支架的內徑為18±0.8 mm。4軸支架外徑為(22±0.2)mm，常規支架外徑為(22±1.2)mm。4軸支架的高度為(25±0.7)mm，常規FDM支架的高度為(25±1.1)mm。4軸支架的壁厚為2.0±2.1 mm，常規支架的壁厚為2.5±2.1 mm。對每種類型的三個不同的樣品進行了測試。

圖3、3D列印的人工氣管支架的大體觀察結果和掃描電鏡圖像、四軸PCL腳手架、B常規PCL腳手架

在FTIR分析時，確定3D列印過程中可能發生的化學結構變化。3D列印前的PCL託盤和3D列印後的每個支架的FTIR光譜顯示，官能團之間沒有顯著差異(圖4)。這些結果表明，在3D列印過程中，沒有結構轉變或支架中的雜質汙染。

圖4、FTIR分析、3D列印前的PCL託盤、B四軸PCL腳手架、C常規PCL腳手架

4軸支架的抗拉強度為0.319±0.083 MPa，常規支架為0.067±0.023 MPa(n=3，P<0.05)。4軸支架抗壓強度為(0.0575±0.009)MPa，常規支架抗壓強度為(0.023±0.004)MPa(n=3，P<0.05)。這些結果表明，與傳統支架相比，4軸PCL支架的拉伸和壓縮強度明顯更高(圖5)。

圖5、三維列印PCL氣管支架的力學性能。抗壓強度。B抗拉強度

圖6顯示了根據液體置換方法的支架的孔隙率。4軸支架的孔隙率(28.72±9.88%)高於常規支架(27.21±3.65%)，但差異無統計學意義。這一結果與支架的橫截面掃描電鏡圖像一致。

圖6、孔隙率的結果。B預列印的PCL託盤和3D列印的PCL支架的細胞活性

研究團隊將其分別於植入後1、2、3、4、8周進行支氣管鏡檢查，評價支架植入情況。在指定的時間點，沒有動物表現出嚴重的狹窄或粘液堆積。4軸支架組術後1周、2周支架植入處均有輕度炎症反應。然而，隨著時間的推移，這些現象逐漸減少，並在術後8周(內窺鏡檢查)完全消失。然而，在傳統支架組，我們可以看到支架移植部位周圍輕微的炎症一直持續到術後8周(圖7A)。4軸支架組植入8周後，重建區內表面完全被黏膜覆蓋。常規支架組術後8周黏膜再生不完全，伴有炎症和肉芽組織。沒有支架從氣管脫落或肉芽形成朝向氣管管腔的跡象。軸位和三維重建CT掃描圖像也顯示兩組均無狹窄跡象(圖7B)。

圖7、3D列印的PCL支架的典型支氣管鏡圖像。B術後4周和8周的軸位和三維重建CT圖像。黑色箭頭表示植入的支架。

術後8周組織學檢查顯示，兩種支架均成功地保持了氣管的原始形狀和管腔輪廓。取材後，我們觀察到常規支架組支架與周圍軟組織之間有嚴重的粘連。相反，4軸支架與正常環境在生物上是整合的。植入後8周無嚴重粘連的組織。觀察到細胞向4軸支架的多孔區內生長(圖8B)。在管腔區域，新形成的上皮完全覆蓋支架的內表面，並觀察到正常區域的纖毛呼吸上皮向內生長。另一方面，未觀察到新生骨再生(圖8)。

圖8、植入後8周3D列印氣管的H&E染色。A-D四軸標本。術後8周取E-H常規標本。C軟骨，L腔，P3D列印PCL支架，RE呼吸道上皮

綜上所述，4軸FDM可以使支架結構更加均勻，具有較高的孔隙率和力學性能。本研究對於證實不同的材料沉積方法可以改變支架的物理性能具有重要意義。隨著3D列印醫療設備的增加，目前強烈建議詳細描述支架的製造方法和機械性能。與傳統FDM方法相比，其中列印面與列印板平行的4軸FDM技術更適合於製造精確且機械性能優越的3D列印氣管支架。