为儿童开发定制的3D打印的镍钛诺支架

使用支架治疗患有先天性心脏病的儿童具有挑战性。这是为什么在这些情况下每年的支架手术数量仍然相对较少，甚至在最有经验的手中，将支架插入儿童狭窄的血管中是严重，危险和侵入性程序的原因之一。

尤其如此，因为支架主要是为成人制造的，并且需要小儿外科医师进行某些修改才能使用，从而限制了其安全性和有效性。

“问题在于，通常，外科医生要处理的主动脉对于成人使用的标准自膨胀支架来说太小了。如果支架是专门为儿童的解剖学设计的，那么外科医生将更倾向于使用它们来恢复通过阻塞或狭窄血管的血流。” 机械制造工程学系生物工程学教授兼首席研究员凯特里奥纳·拉利（CaitríonaLally）说。在三位一体生物医学工程中心在都柏林三一学院有在接受采访时，爱尔兰，3DPrint.com。

与Moataz Attallah，在先进的金属专家制造的流程和教授拉里工作先进适用的材料加工在冶金与材料学院在伯明翰大学，英国他们的合作研究采用的添加剂制造（AM）开发的技术用于生产定制儿科患者的心血管镍钛合金支架。当Attallah通过真正的增材制造和材料特性获得发展时，Lally致力于医疗设备设计，并了解其机械强度和完整性。

Lally和Attallah 专注于由国家儿童研究中心创新奖计划资助的3D打印用于儿科患者的患者专用镍钛合金支架项目（3DP4Paeds） ，Lally和Attallah希望推进定制支架的设计和制造，以解决复杂性和独特性心脏畸形儿童的结构缺陷 此外，在与Lally的合作下，Attallah分享了由英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）资助的智能****镍钛合金支架同时研究的初步结果。

使用医学成像技术绘制患者心脏的特定解剖图并进行3D金属印刷，以生产出与患者结构缺陷的形状相匹配的支架，从而形成一种医疗设备，该设备将限制对成人支架进行修改的需求并确保最佳的长减少支架引起的组织损伤的风险，从而获得远期疗效。

为了解镍钛合金支架 3D打印背后的原理，Attallah建议重要的是要掌握用于开发支架的传统工艺的局限性，他将其描述为“非常耗时且昂贵的工作”。支架是金属网装置，通常是通过直接激光切割从单个非常大的金属管中制成的。

“ 如果考虑到制造非常灵活且弯曲的支架结构所需的步骤和过程的数量，则可能损失约95％的材料，如果支架由镍钛诺制成，这将成为非常昂贵的过程，因为特别是镍基金属合金的成本非常高。” Attallah解释说。“但是最重要的是，此过程绕过了定制选项，这对于小儿支架至关重要。我们知道，通过增材制造来制造支架是针对患者特定的医学，这是未来的医疗保健趋势，并且可以在支架植入手术期间带来更成功的结果。”

每年，大约有200万患者将支架植入心脏的患病动脉，大多数情况下是成年人。Lally表示，由于儿童所需的支架数量很少，因此支架制造商通常不愿生产它们，主要原因是价格昂贵。

在美国，先天性心脏缺陷每年影响近1％的出生，在英国，每千名婴儿中就有八分之一患有这种疾病。 此外，Lally将在Trinity开发的支架描述为“理想的先天性疾病的理想选择，这种疾病被称为主动脉缩窄或主动脉变窄，甚至比一般的先天性心脏缺陷更为罕见”，仅影响10,000名婴儿中的一个。对于全球血管支架市场的顶级供应商来说，这些数字显然不足以保证采用传统方式对定制设备进行激光切割和制造。

“小儿外科医师经常会遇到针对其使用目的而设计不当的产品，最终他们不得不在手术中修剪成人支架以适合婴儿。结果，他们从这些手术中得不到很好的结果，因为他们知道，如果他们有更好的产品可以配合使用，” Lally声称。“此外，在幼儿中植入一种理想的针对患者的支架将跟随血管的自然生长，从而避免了进一步的手术并延长了婴儿的寿命。”

因此，研究人员选择研究可挠性足以适应儿童血管的增材制造的镍钛合金支架，并具有在其整个生命周期内追踪该血管自然生长的能力。阿塔拉（Attallah）是全球为数不多的拥有3D打印镍钛合金经验的研究人员之一，自2015年以来一直在使用这种材料。到目前为止，二人组已成功印刷了镍钛诺支架原型并在各自的实验室中对其进行了测试。

镍钛合金由钛和镍制成，是一种形状记忆合金，具有超弹性，非常适合用于医疗设备。与其他由不锈钢制成的支架表现出有限的弹性不同，镍钛合金支架的自膨胀特性为需要支架顺应血管自然生长的儿科患者提供了很多希望。

Attallah透露：“尝试使用传统制造方法定制支架可能会花费很长时间，但是通过增材制造，该过程可以更快地完成。到目前为止，在临床应用中还没有任何3D打印的定制支架，但是我们确信，一旦它们从工作台转到床边，它们将是革命性的，因为该应用可能具有超出心脏用途的潜力。但就目前而言，我们仍处于早期开发阶段。”

根据Lally和Attallah的说法，进入儿科领域的临床阶段可能需要长达三年的时间，而成人定制AM镍钛合金支架预计需要更长的时间。这是因为患者专用支架对儿童的直接益处可能显着更高，并且迫切需要改进有效生产婴儿支架的机制。

Lally说：“在儿科领域，您可以说3D打印可以解决其他制造技术无法解决的问题。”

3D打印还为设计增加了灵活性。两位研究人员正在开发具有高几何精度的复杂产品，这些产品可以逐渐变细，以确保它们考虑到非常具体的患者解剖结构而不会阻塞任何关键的侧支或较小的动脉。

Lally说：“与许多支架设计不同，由于必须将其制成圆柱体并进行激光切割，因此AM的设计自由度高，可以制造出分叉的患者特定部件，” 。这些支架中的大多数会进入具有许多不应阻塞的分支的血管中，因此植入会阻塞分支血管的标准支架可能造成的弊大于利。这些新的医疗设备将进行打印，以适应每个孩子的解剖结构，因此，从长期来看，将更有可能提供更好的临床效果。”

伯明翰大学正在使用GE Additive的Concept Laser金属3D打印机生产用于3D打印的镍钛合金支架的设计，而三一学院使用SLM打印机来完成这项工作。

使用AM解决传统制造的支架的局限性不仅可以使患者在手术过程中以及术后不久受益，而且从长远来看可以使患者受益。Attallah解释说，不幸的是，许多标准化的支架在手术后可能会失败，而当发生这种情况时，外科医生必须通过非常复杂的程序将其“淘汰”。

“我们需要解决支架的不透射线问题，也就是说，支架必须是不透射线的，以便医生可以看到。因此，该项目的首批开发成果之一是印刷镍钛诺支架，该支架包含高达10％的贵金属用作标记材料，这有助于在X射线下查看医疗设备，从而帮助外科医生确切地知道支架的位置，以便其可以更轻松地植入和取出，” Attallah说。

但这不是标准化支架的唯一问题。根据Lally的说法，还可能存在“设备放置后的生物学反应”，细胞过度生长会重新阻塞血管，导致再狭窄。

“这通常与在支架置入过程中施加在组织上的负荷水平有关，这可能导致损坏和撕裂以及再狭窄的高风险。” 特定于患者的建模，软件工具和3D打印可帮助设计最适合特定几何形状的支架，从而确保外科医生仅扩大需要扩张的区域，避免了在支架植入后瓣膜再次变窄的风险。” 。

随着研究的进展，Attallah和Lally希望将定制支架技术的益处视为个性化治疗方法，从而降低未来的成本。

“当前的COVID-19危机凸显了分布式制造的作用。展望未来，我设想了基于医院发送的自定义支架设计的集中式设施。一旦设计通过验证并制定了程序，支架将被部署到医院，从而使支架插入过程更加可靠。” Attallah总结道。“实现符合患者生物学和解剖学特征的支架制造的定制过程将是革命性的，这就是我们的目标。”