在美国，近半数的成年人患有高血压，而其中大约十分之一的患者，传统的药物治疗对他们根本不起作用。宾夕法尼亚州立大学（PSU）的一个研究团队开发出了一种潜在的解决方案：一种柔软的、3D打印的生物电子装置，它可以直接附着在人体最关键的一条动脉上，并利用柔和的电信号来控制血压。这种名为CaroFlex的装置，由工程科学与力学系的Wormley Family Early Career助理教授周涛（Tao Zhou）领导的团队开发，并在啮齿动物模型上进行了测试。研究结果详细发表在《Device》期刊上的一篇论文中。对于那些即使同时服用三到五种药物血压仍然居高不下的患者来说，这项研究指明了一条全新的治疗路径——它不依赖化学药物，而是基于生物电子学。
这种新型生物电子装置只有指尖大小。图片由周涛提供。
一种对人体友好的装置：与组织协同，而非对抗
CaroFlex以颈动脉窦为目标。颈动脉窦是颈动脉（向头部、面部和颈部输送富氧血液的主要血管）分叉成几条较小通路的一个小型接合处。在这个区域聚集着压力感受器，这些特殊的神经末梢能探测到动脉扩张的变化，并触发人体自然的血压调节反应，即压力感受性反射。目前已有刺激该系统的生物电子装置存在，但它们通常由坚硬的金属和塑料制成。“这些装置通常用缝线固定，”周涛说，“随着时间的推移，当动脉为了帮助血液在体内循环而拉伸和收缩时，这些缝线可能会损坏装置，更重要的是，会损伤它们所连接的组织。”
CaroFlex则采用了不同的方法。该装置主要由水凝胶这种柔软的果冻状材料打印而成，其中包含用于传输电信号的导电水凝胶电极，以及一层无需缝线、有毒化学品或机械锚定就能粘附在生物组织上的粘性水凝胶层。最终制成的是一个能与动脉一起运动、而非抵抗动脉运动的装置。实验室测试证实，CaroFlex在断裂前可以拉伸至其原始长度的两倍以上。即使储存六个月后，其粘合层仍能保持强大且稳定的粘接力，并且该装置在组织接触质量和电气可靠性方面均优于传统的铂电极。
结果显示
研究团队将CaroFlex植入大鼠模型的颈动脉窦，并在十分钟内持续监测其血压。在测试的五种电频率中，有四种产生了可测量的降压效果，使平均读数降低了15%以上。植入两周后，装置周围的组织没有显示出任何损伤或免疫反应的迹象——这一结果使CaroFlex有别于那些长期使用往往会导致慢性炎症的刚性前代产品。
3D打印使该团队能够生产生物电子装置。图片来自周涛。
“对许多患者来说，即使同时服用三到五种药物，也无法缓解他们的高血压，”周涛说，“在这些情况下，利用电信号来调节人体自然反应系统的生物电子装置，提供了一种有前景的替代疗法。”下一阶段的研究将专注于提升CaroFlex的有效性，并逐步推进该方法，最终在人体上进行临床试验。周涛指出，增材制造是实现这一路线图的核心。“我们实验室正在积极领导多项用于身体各部位的3D打印生物电子学开发项目，这非常令人兴奋，”周涛说，“与传统的制造方法相比，这种制造方法使我们能够更高效地设计、制造和调整生物电子装置，以用于未来的临床试验和商业分销。”
这项研究由来自不同学科的学者和教职员工组成的团队共同完成。工程科学与力学系的博士生Marzia Momin、Salahuddin Ahmed、Jia Sun和Jiashu Ren担任共同作者，合作者还包括电气工程博士生Arafat Hossain和机械工程博士生Xinyi Wang。该团队还得到了研究助理Li-Pang Huang和宾夕法尼亚州立大学医学院肾脏病学副教授Umar Farooq的支持。目前正在密歇根州立大学攻读物理学博士学位的Basma AlMahood，以及密歇根大学心血管医学临床教授John Bisognano也做出了贡献。这项研究获得了美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会的资助。
3D打印生物电子学进入人体
CaroFlex的诞生正值增材制造成为需要植入活体组织内的生物电子装置首选制造方法的时期。麻省理工学院的工程师们利用导电聚合物3D打印出了柔软、灵活的脑部植入物，证明打印出的PEDOT:PSS电极能够检测到自由活动小鼠单个神经元发出的电信号，研究人员指出，通过打印的神经刺激装置，有望缓解癫痫、帕金森病和严重抑郁症的症状。
这种方法正在各研究机构和目标病症中推广开来。来自谢菲尔德大学、圣彼得堡国立大学和德累斯顿工业大学的工程师们开发出了一种3D打印的柔软生物电子神经植入物，具有治疗瘫痪等神经系统损伤的潜力。此外，来自瑞典皇家理工学院和斯德哥尔摩大学的研究人员引入了一种方法，该方法利用标准的Nanoscribe 3D微型打印机简化了电化学晶体管的制造流程，从而无需专门的洁净室环境，并加速了医疗植入物、可穿戴电子设备和生物传感器等关键组件的原型开发。贯穿所有这些努力（包括CaroFlex）的主线，是同一个根本性问题：人体组织是柔软、动态的，并且随着时间的推移，无法容忍坚硬的异物。增材制造是唯一足够灵活、能满足这一限制条件，同时又能制造出精度足以用于治疗的装置的制造方法。
来源：中国3D打印网
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