北卡罗莱纳州立大学的研究人员,利用3D打印技术开发出了更舒适的辐射接收天线,供癌症患者在微波热疗过程中佩戴。


与主流放射疗法设备相比,该团队灵活的新型接收器体积较小,可以打印成患者特定的几何形状,从而减少了治疗过程中的不适感。通过调整天线的填充水平,科学家们还发现他们能够调整其介电常数,并通过电磁(EM)仿真器针对不同的暴露水平优化其性能。


科学家3D打印出辐射接收天线,供癌症患者在放射治疗中佩戴,以减少副作用


使放射疗法更加可口


微波乳房高温疗法是一种癌症治疗方法,其中,受影响的组织局部暴露于高度聚焦的EM辐射束中,该辐射束通过热消融损害恶性细胞。尽管该过程是非侵入性的,但目前需要使用笨重的天线,这使本来就不受欢迎的治疗对患者而言更加不舒服。


过去,人们对可穿戴替代品进行了大量研究,但这些替代品主要限于人工生产的纺织品或笨拙的水冷设备。


近年来,科学家越来越多地采用3D打印来更快地生产天线,与许多传统设计相比,这种天线具有更高的灵活性并因此给患者带来了舒适感。


同样,在他们以前的研究中,北卡罗莱纳州的研究小组发现,他们可以通过提高孔隙率来提高棉质设备的天线增益。现在,研究人员进一步假设,可以进一步操纵接收器的填充物,以使它们不仅舒适,而且具有优化的加热性能和抗癌功效。


科学家3D打印出辐射接收天线,供癌症患者在放射治疗中佩戴,以减少副作用


鉴于调整天线的介电特性对于优化其性能至关重要,因此科学家着手确定确切的填充水平如何影响它们。为此,该团队使用Luzbot Taz 6 FDM 3D打印机生产了三种不同的基于TPU的设备,其体积百分比分别为40%、70%和100%。


研究人员的天线由安装在介电基板上的导电贴片组成,具有3 mm厚的TPU顶层,可防止它们直接与患者的皮肤接触。在使用过程中,该设备的贴片理论上能够将微波辐射中继到自然半球形的乳房组织的中心,将癌细胞加热到39–45°C,并使它们呈惰性。


为了测试新型放射疗法设备的功效,北卡罗来纳州的科学家将它们连接到实验室制造的半径为50mm的“乳房幻影”上,并对其进行了广泛的EM模拟。有趣的是,研究小组发现,将天线的填充率从100%降低到43.6%,其介电常数从2.36降低到1.59,并且这种关系是可预测的,并且是线性的。


影像显示了团队人工“乳房幻影”中模拟的辐射吸收率。


此外,体积为70%和100%的设备均显示出2.30 GHz的共振,并在5-7mm深的组织中提供了35-60 W / kg的辐射吸收率,远远低于建议用于低温治疗的8-83 W / kg 。但是,每个天线也被证明对15mm以上的组织无效,并且填充40%的原型还不够稳定,无法保持其半球形。


科学家3D打印出辐射接收天线,供癌症患者在放射治疗中佩戴,以减少副作用


结果,研究人员得出结论,他们已经成功地计算出了放射疗法接收器的介电常数和固体体积百分比之间的线性关系,但是它们并未部署在体外应用中,如果要在体外应用,它们将是仅限于治疗乳房浅表区域。


科学家在论文中表示,所用的乳房幻像是同质的,不能精确地模仿人体的实际生物物理表现。真正的女性乳房中有无数的成分,所有这些成分都可能影响加热功效。对于进一步的研究,因此必须考虑更逼真的幻像。


3D打印的乳腺癌疗法


无论是能够提高组织保留能力的3D打印聚合物导板,还是患者特定的生物打印植入物,研究人员都在继续寻找帮助乳腺癌幸存者康复的新方法。例如,韩国Asan医学中心的临床医生已经将扫描与3D打印相结合,以创建可定制的手术指南,从而提高了乳房切除术患者的治疗效果。


在其他地方,以色列3D生物打印公司CollPlant至少从2019年开始就对乳房组织再生植入物进行原型制作。该公司相信,未来,其基于胶原蛋白的移植物可以为患者提供更安全的替代方法,以替代更常规的永久性乳房植入方法。


同样,3D打印支架开发商BellaSeno已与赢创达成协议,将其RESOMER聚合物用作一系列ISO认证的Senella乳房植入物的基础。最终,该公司旨在通过制造可以被人体安全吸收的植入物来改善乳房重建,隆胸和翻修手术的程序。


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