腦癌藥物輸送系統(tǒng)中的金屬3D打印零件

神經(jīng)膠質(zhì)瘤（Diffuse Intrinsic Pontine Glioma）通常發(fā)生在10歲以下的兒童群體，這是一種死亡率極高的腦癌，迄今為止醫(yī)學(xué)界仍在探索治療此類疾病的方法。Bristol皇家兒童醫(yī)院的神經(jīng)外科醫(yī)生嘗試通過腦部的藥物輸送手術(shù)將藥物輸送到腫瘤組織中來治療該疾病。

手術(shù)預(yù)規(guī)劃軟件、手術(shù)機器人和藥物輸送系統(tǒng)在治療過程中為醫(yī)生提供完整的技術(shù)支持。治療藥物將通過導(dǎo)液管直接進入到腫瘤組織內(nèi)部，導(dǎo)液管在穿刺進入大腦之前首先會在一個經(jīng)皮口處進行匯合。

這個經(jīng)皮口是通過金屬3D打印和機械加工相結(jié)合的方式制造的。金屬經(jīng)皮口作為藥物輸送系統(tǒng)中一個“不起眼”的小零件有什么玄機？ 它將怎樣配合藥物輸送系統(tǒng)進行腦癌的治療？ 本期，3D科學(xué)谷就和你一起看一看。


人腦的天然屏障

在了解這個問題之前，我們先來了解一個醫(yī)學(xué)概念-血腦障壁(Blood-Brain-Barrier，BBB)。

什么是“血腦障壁”呢？一百年前，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)若將藍色染劑注入動物的血管內(nèi)，除了腦以及脊髓以外的組織，身體其它部位通通都變成藍色。為了解釋這個現(xiàn)象，科學(xué)家認(rèn)為避免物質(zhì)由血液進入腦部的血腦障壁應(yīng)是存在的。隨著科學(xué)的日益進步，現(xiàn)今科學(xué)對于血腦障壁之結(jié)構(gòu)與功能有了較具體的了解。總的來說，血腦障壁有以下三個重要功能：

1、保護腦部不受血液中外來物質(zhì)的傷害
2、保護腦部遠離來自身體其它部位之荷爾蒙與神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)之影響
3、維持腦中環(huán)境的衡定

也就是說由于人腦的血腦障壁功能，依靠化療的方法來治療腦癌的難度就增加了。因為常規(guī)的化療方法是依靠血液循環(huán)將藥物輸送到腫瘤組織，從而殺死癌細胞，但是血腦障壁功能會阻礙藥物進入腦組織。

怎樣繞開血腦障壁來治療腦癌等疾病呢？Bristol 皇家兒童醫(yī)院的腦神經(jīng)外科醫(yī)生嘗試了一種新的治療方法。


繞開屏障

Bristol 皇家兒童醫(yī)院的腦神經(jīng)外科醫(yī)生的新方法原理是通過繞開血腦障壁將化療藥物直接推送到腦腫瘤組織，從而避免藥物在血液循環(huán)中受到血腦屏障的阻礙。2013年該團隊已使用同樣的方法進行了治療帕金森癥的二期臨床試驗。

將藥物輸送至腦部指定位置需要借助規(guī)劃性的、精密性軟件和設(shè)備。雷尼紹（Renishaw）公司為外科醫(yī)生提供了完整的解決方案，包括：

· 手術(shù)預(yù)規(guī)劃軟件neuroinspire™ 幫助神經(jīng)外科醫(yī)生進行手術(shù)規(guī)劃。
· 神經(jīng)外科手術(shù)機器人（neuromate stereotactic robot ），任務(wù)是將穿刺針、電極等器械準(zhǔn)確送到預(yù)定靶點，協(xié)助醫(yī)生完成手術(shù)。

通過這些技術(shù)，微型導(dǎo)液管、電極等植入物可以按照預(yù)規(guī)劃的角度插入到腦部的指定位置。在Bristol 皇家兒童醫(yī)院探索的新治療方法中，是通過多條插入腦部的導(dǎo)液管將藥物輸送到腫瘤組織內(nèi)部。使用的藥物管理裝置是對流增強型輸注裝置（CED），作用是讓輸送的藥物在高濃度和更大面積的情況下更加均勻，將藥物保留在需要的腦組織內(nèi)，并減少副作用。通過這個附著在經(jīng)皮口外部的裝置，藥物被輸送到患者腦部。通過這些裝置可以間歇性的給藥，以控制藥物輸送的率。

上圖展示了藥物輸送系統(tǒng)。在左圖中，患者耳后的金屬孔是金屬3D打印的經(jīng)皮口。在右圖中，位于患者耳后的是4根導(dǎo)液管和金屬3D打印的藥物管理裝置，該裝置附著在經(jīng)皮口外面。通過這些導(dǎo)管和金屬零件，藥物被間歇性的輸送到大腦，其輸送率可以得到控制。

4根外部導(dǎo)液管在植入到頭骨中的經(jīng)皮口處進行匯集，并通過經(jīng)皮口內(nèi)部微小而復(fù)雜的通道連接到已經(jīng)穿刺到腦部的導(dǎo)液管。治療藥物則順著外部導(dǎo)液管、經(jīng)皮口、內(nèi)部導(dǎo)液管進入到腫瘤組織。

金屬經(jīng)皮口中包含的微小而復(fù)雜的內(nèi)部通道，以及類似于人體頭骨的紋理特征都決定了3D打印是理想的制造方法。由于對經(jīng)皮口的精度要求極高，在完成3D打印之后還需要進行精加工。

金屬3D打印的經(jīng)皮口雖然是整個腦癌治療過程中一個不起眼的小零件，但它是藥物進入到大腦的必經(jīng)之路，一邊連接著外部的藥物輸送裝置，另一邊連接著內(nèi)部導(dǎo)液管。因此它不僅需要具有良好的生物相容性，還需要保證藥物流暢、順利的輸入到內(nèi)部的導(dǎo)液管中。同樣的藥物輸送裝置不僅可以用于治療腦癌，還可以用來治療其他神經(jīng)外科疾病。

來源：3D科學(xué)谷