一种用于人工气管三维打印的四轴联动技术

背景：已经报道了几种类型的三维(3D)打印气管支架。然而，这些研究大多集中在将最终产品应用于活体动物研究，而不能显示各种3D打印方法、材料或参数对创建最佳3D打印气管支架的影响。本研究的目的是用四轴熔融沉积建模(FDM)方法对聚己内酯(PCL)气管支架进行三维打印表征，并确定不同的添加剂制造方法对支架性能的影响。

方法：将标准的FDM气管三维模型应用于4轴FDM支架和常规FDM支架。对支架的形貌、力学性能、孔隙率和细胞毒性进行了评价。将支架植入兔7.9~10 mm人工气管缺损处。术后4周和8周，对重建部位进行支气管镜检查、影像学和组织学分析。

结果：与传统支架相比，4轴FDM提供了更高的尺寸精度，更接近于基于CAD软件的设计，具有预先定义的孔径和孔的连通性。4轴气管支架具有优良的力学性能。

结论：研究团队认为4轴FDM工艺更适合于研制精确的、机械性能优越的气管支架。

Keyword:三维打印、气管、脚手架、4轴、熔融沉积模拟

气管组织工程尤其重要，因为气管狭窄或阻塞导致的死亡率很高。各国专家团队已经尝试使用各种组织工程化人工气管替代物来修复节段性气管缺损。然而，由于气道狭窄(吻合口肉芽组织过度生长)、气道塌陷(支架软化和扁平)和粘液嵌塞(由于缺乏呼吸道上皮)，并没有一种让人满意的修复方式。

在这里，Hae Sang Park团队开发了一种聚己内酯(PCL)3D打印气管支架，采用4轴FDM工艺。4轴FDM将结构建立在旋转印刷板上，并已被认为是一种可行的血管支架制造技术。研究团队假设由相同材料制成的支架的性能可以根据材料的沉积方式而改变，而4轴FDM技术更适合于制作精心制作的气管支架，因为气管是一个中空的圆柱形器官，类似于血管支架，在各种可生物降解的合成材料中，PCL是FDA批准的一种聚合物，具有优异的机械强度和耐久性，具有相当的生物相容性。

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

此外，PCL是水溶性的，不需要使用与当前3D打印系统不兼容的有机溶剂。本研究的目的是用4轴FDM法对PCL气管支架进行三维打印表征。对支架的形貌、力学性能、孔隙率、吸水率、膨胀率和细胞毒性进行了评价，并进行了动物实验。将这些性能与用传统FDM方法3D打印的PCL气管支架的性能进行了比较。

图1、气管支架的CAD建模图像(A-C)，以及制作3D打印的气管支架的流程示意图(D，E)、俯视图、B正面视图、C三维重建视图、三维四轴技术、E常规技术

动物实验选用4只雄性新西兰兔，约3月龄，体重3.0~3.5 kg。这项研究得到了韩国春川Hallym大学(IRB 2016-64)机构审查委员会的批准。动物通过肌肉注射5毫升佐利替利混合液进行麻醉。和2.5毫升Rumpun，按0.5ml kg-1在大腿区域注射。每只兔子都被放在仰卧位置，颈部略微伸展。在颈部正中线作垂直皮肤切口，剥离皮带肌至气管前壁和喉部。从第四~第六气管环切除一块直径为7~10 mm的气管软骨。缺损用3D打印的支架覆盖，并缝合。缝合带肌，用尼龙缝合皮肤切口。(图2)。

图2、新西兰大白兔气管支架植入术。气管的露出。BA7、9、10 mm气管软骨切除(箭头)。缺损区植入C4轴PCL支架。将常规PCL支架植入同一下颌骨缺损区。

图3显示了支架的外观。4轴支架的实测内径为18±0.3 mm，常规支架的内径为18±0.8 mm。4轴支架外径为(22±0.2)mm，常规支架外径为(22±1.2)mm。4轴支架的高度为(25±0.7)mm，常规FDM支架的高度为(25±1.1)mm。4轴支架的壁厚为2.0±2.1 mm，常规支架的壁厚为2.5±2.1 mm。对每种类型的三个不同的样品进行了测试。

图3、3D打印的人工气管支架的大体观察结果和扫描电镜图像、四轴PCL脚手架、B常规PCL脚手架

在FTIR分析时，确定3D打印过程中可能发生的化学结构变化。3D打印前的PCL托盘和3D打印后的每个支架的FTIR光谱显示，官能团之间没有显着差异(图4)。这些结果表明，在3D打印过程中，没有结构转变或支架中的杂质污染。

图4、FTIR分析、3D打印前的PCL托盘、B四轴PCL脚手架、C常规PCL脚手架

4轴支架的抗拉强度为0.319±0.083 MPa，常规支架为0.067±0.023 MPa(n=3，P<0.05)。4轴支架抗压强度为(0.0575±0.009)MPa，常规支架抗压强度为(0.023±0.004)MPa(n=3，P<0.05)。这些结果表明，与传统支架相比，4轴PCL支架的拉伸和压缩强度明显更高(图5)。

图5、三维打印PCL气管支架的力学性能。抗压强度。B抗拉强度

图6显示了根据液体置换方法的支架的孔隙率。4轴支架的孔隙率(28.72±9.88%)高于常规支架(27.21±3.65%)，但差异无统计学意义。这一结果与支架的横截面扫描电镜图像一致。

图6、孔隙率的结果。B预打印的PCL托盘和3D打印的PCL支架的细胞活性

研究团队将其分别于植入后1、2、3、4、8周进行支气管镜检查，评价支架植入情况。在指定的时间点，没有动物表现出严重的狭窄或粘液堆积。4轴支架组术后1周、2周支架植入处均有轻度炎症反应。然而，随着时间的推移，这些现象逐渐减少，并在术后8周(内窥镜检查)完全消失。然而，在传统支架组，我们可以看到支架移植部位周围轻微的炎症一直持续到术后8周(图7A)。4轴支架组植入8周后，重建区内表面完全被黏膜覆盖。常规支架组术后8周黏膜再生不完全，伴有炎症和肉芽组织。没有支架从气管脱落或肉芽形成朝向气管管腔的迹象。轴位和三维重建CT扫描图像也显示两组均无狭窄迹象(图7B)。

图7、3D打印的PCL支架的典型支气管镜图像。B术后4周和8周的轴位和三维重建CT图像。黑色箭头表示植入的支架。

术后8周组织学检查显示，两种支架均成功地保持了气管的原始形状和管腔轮廓。取材后，我们观察到常规支架组支架与周围软组织之间有严重的粘连。相反，4轴支架与正常环境在生物上是整合的。植入后8周无严重粘连的组织。观察到细胞向4轴支架的多孔区内生长(图8B)。在管腔区域，新形成的上皮完全覆盖支架的内表面，并观察到正常区域的纤毛呼吸上皮向内生长。另一方面，未观察到新生骨再生(图8)。

图8、植入后8周3D打印气管的H&E染色。A-D四轴标本。术后8周取E-H常规标本。C软骨，L腔，P3D打印PCL支架，RE呼吸道上皮

综上所述，4轴FDM可以使支架结构更加均匀，具有较高的孔隙率和力学性能。本研究对于证实不同的材料沉积方法可以改变支架的物理性能具有重要意义。随着3D打印医疗设备的增加，目前强烈建议详细描述支架的制造方法和机械性能。与传统FDM方法相比，其中打印面与打印板平行的4轴FDM技术更适合于制造精确且机械性能优越的3D打印气管支架。