糖尿病影响到全世界超过5.3亿成年人,用来管理糖尿病的装置也迅速发展。然而,由于这些装置的精密程度,胰岛素泵、连续葡萄糖监测器(CGM)和其他工具仍然遵循一个最通用的制造模式。 标准方法留下了空白。泵房可能会对皮肤造成不适的压入。CGM胶体可能无法固定在弯曲的腹部上。一个儿科病人可能会与一个为成人比例而建的装置相搏。三维印刷可以直接解决这些局限性。通过从数字模型分层构建设备,临床医生和工程师可以生产出与个人病人的精确轮廓、尺寸和临床需要相匹配的部件。 这不是渐进的改进,而是向真正个性化的糖尿病护理转变。

技术已经超越了原型阶段。 医院、研究实验室和设备制造商正在使用3D打印来创建定制的胰岛素输送平台、感应器、可植入装置甚至活纹组织。 文章审查了糖尿病设备定制3D打印的现状、它带来的临床利益、依然存在的监管和物质挑战以及该领域在未来五到十年中的发展。

为什么糖尿病护理的一丝不苟

糖尿病是一种高度个体性疾病。没有两位患者具有相同的胰岛素敏感度、活性模式、饮食时间表或身体形状。然而,他们依赖的装置是质量,以适应一般人群。这会造成可预测的问题。注入剂的罐头可能插入一个角度,刺激纤维疤痕或弯曲于自然的皮肤折叠。一个CGM发射机可能坐到手臂上,而伸展范围短的人则可能坐得过高。 穿着成人衍生的胰岛素泵的儿童可能发现这个装置比必要的体积更大,从而减少磨损时间,甚至导致在运动期间故意切除。

除了舒适之外,还有临床后果。不适当的安装装置可能导致胰岛素的注射、感官转移或皮肤刺激不一致。这些问题导致不理想的甘油控制以及设备废弃率提高。根据[ 发表的研究[ 糖尿病护理[],与设备有关的不适和安装问题是患者停止使用CGM的主要原因。定制直接解决了这些遵守障碍。

三维打印通过创建符合患者特定解剖学的部件来解决适配问题。对身体现场的扫描,无论是腹部、大腿还是上臂,都会生成数字地图。软件将地图翻译为可打印文件。打印机会将材料分层保存,形成符合个人形状的设备外壳、传感器或植入物壳。结果是一种设备,它能保持原地,感觉自然,并支持坚持一致的治疗。

3D打印如何在医疗环境下工作

医学级3D打印采用几种不同的工艺,每个工艺都适合不同的应用. 引信沉降模型(FDM)挤出热塑性丝,并被常用为原型和不可植入装置外壳. 立体石学(SLA)使用激光将液体树脂分解为固态塑料,产生出适合需要细微细节的部件的高分辨率部件. 选择性激光穿插(SLS)将粉末材料接入耐用结构,常用于多孔植入,鼓励组织融合. 对于先进的应用,如生物印刷,专用打印机将活细胞被悬浮于水凝胶中,分层地构建组织构造等.

材料选择至关重要。 对于泵房和传感器挂载等外部设备,医疗级多碳酸酯、硅酮和热塑性聚氨酯是常见的。 这些材料必须能够按照ISO 10993标准进行生物兼容,可以不降解地进行消毒,并在皮肤连续接触下保持稳定。 对于可植入的设备,使用多醚酮(PEEK )、钛合金和可生物降解聚合物等材料。 每件材料都必须通过严格的细胞毒性、敏化和体内长期稳定性测试。

数字工作流程始于病人成像. CT或MRI扫描提供了解剖参考. 软件将扫描转换为3D模型,然后被操纵来创建设备几何. 设计完成后,切换软件生成打印指令. 打印机构建组件,以及绝育,抛光等后处理步骤,质量检查等为临床使用做准备. 总的周转时间可以短到24小时,而传统注射模具的周转时间可以短到24小时.

当前在糖尿病设备中的应用自定义

定制胰岛素泵房和输液装置

胰岛素泵经常被持续地磨损。 含有泵机和将胰岛素输入皮下组织的输液套件的套件都得益于定制。 与腹部或大腿曲率相匹配的套件会降低压力点,使设备能够随身体自然移动。 这对活跃的病人、儿童和身体脂肪低的个人来说尤其有价值,因为标准平房往往会转移或引起不适。

输液器,包括一个坐入组织中的罐子,可以根据患者的皮肤厚度和插入地点,用自定义角度和长度来打印出。儿童可能需要更短、更急性的入射角度。有纤维性疤痕组织的成年人可能需要更长的入射角度或不同的入射轨迹。 国家卫生研究所的研究人员[ 证明由3D打印出输液器的适配器通过消除亲缘关系和确保适当的组织深度,改善了胰岛素吸收一致性。

连续葡萄糖监测站山和覆盖物的个性化

连续的胶体显示器依赖于插入到皮肤下的一个微小的感应线,由粘接接接接接接接接接接接住,并安装在顶部的发射机上. 发报机外壳是通用的,而粘接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接接

对儿科病人来说,定制感应器放置的能力特别有用,孩子们的皮肤面积较小,组织密度也不同。定制上架可以在游戏和睡眠期间远离路的地方将感应器放置在上臂或臀部上,提高穿戴守恒度和数据连续性。家长报告,使用定制的起架系统时,感应器丢失较少,葡萄糖数据缺口也较少。

可植入的设备和封装系统

除了外部设备,3D打印还使新的可移植技术能够用于糖尿病。 一个活性研究领域是含有胰岛素生成的β细胞的生物工程胰腺植入。用生物相容聚合物制成的3D打印的脚手架为细胞提供了结构支持和免疫保护。脚手架的孔径大小、形状和降解率可以调整以匹配植入地,无论是皮下、腹内还是自体外。 最新研究显示,自定义的盖盖装设备维持细胞生存能力比离壳外扩散室长,因为多孔结构允许更好的营养交换,同时排除了免疫细胞。

另一种可植入的应用是糖激胰岛素的放出装置. 研究人员打印出微需要阵列,以响应高糖水平的出血胰岛素. 微需要被单独校正其成分和几何来为特定患者制作所期望的放出配置图. 这种方法旨在创建一个不需要外部泵或CGM发射机的闭锁-放出系统,减轻设备管理的负担.

胰岛素补丁泵和可穿戴平台

补丁泵直接粘住皮肤,通过短的罐子来提供胰岛素,已经比传统的泵小了。三维打印使其适应性更强。 补丁泵的设计可采用沿患者腹壁的曲线基,可采用可减少皮肤分解的外膜下垂,以及可变腔形,可容纳不同胰岛素库大小的可变腔道。 定制补丁泵正在多个中心进行临床试验,早期结果显示磨损时间和病人满意度提高。

高级生物印表,用于泛晶体组织替换

活体印刷是糖尿病3D打印的前沿。这一技术使用打印机将活细胞,通常是胰岛细胞或干细胞衍生的β细胞,保存在支持性水凝胶基质中。目的是建立一个功能性血管化组织结构,可以植入以恢复内生胰岛素生产。 与依赖捐献器官并需要免疫抑制的标准岛地移植不同,生物印刷的建筑可以使用病人自己的细胞,降低拒绝风险。

打印过程必须保存细胞生存能力. 多个平面头的打印机同时会存放不同的细胞类型和结构材料. 内地细胞被放置形成毛细道. β细胞被嵌入细胞外基质仿真,支持胰岛素分泌. 中间分泌细胞等支持细胞被添加来促进血管生长并减少炎症. 打印后,构造被培养出生物反应器来在植入前成熟.

人类的免疫能力在20世纪70年代就已经得到了提高。 尽管生物印表的胰腺组织尚未被临床应用,但进步的速度却相当快。 在动物模型中,生物印表的岛体构造维持了数月的规范细胞细胞免疫力学,没有外来胰岛素。 人类实验预计将在下一个十年内进行,初步应用很可能是针对患有严重下垂性贫血的一等糖尿病患者。

矫形和神经病学应用

糖尿病并发症超出了葡萄糖管理的范围。 糖尿病外围神经病会影响脚部,造成感官丧失、运动步态改变和溃疡风险增加。 脚部扫描打印的自定义矫正可以从高风险地区卸下压力,减少剪接力,并适应现有的畸形,如炭脚或锤脚等。 传统的矫正是泡沫化的并迅速降解。 由耐久多丙烯或TPU制成的3D打印矫正可以维持更久的形状,如果患者的情况发生变化,可以重新获得或进行数字化调整。

带有嵌入式传感器的自定义鞋袜也在开发中。印出印出印出的压力传感器通道,将实时数据传送到智能手机应用。当特定地点的压力超过一个阈值时,病人会收到一个提示,可以转移体重或检查脚部。这些智能鞋被被评估其预防糖尿病足部溃疡的潜力,这导致85%的糖尿病相关截肢。

定制的3D-冲洗设备的临床好处

支持糖尿病管理中3D打印定制设备的数据正在稳步积累。 一致的结果是强化了穿戴坚持性。 当一个设备适合舒适并留在原地时,患者更有可能一致使用它,从而增加感官覆盖面并增加胰岛素的投放。 更高的穿戴时间与血红蛋白A1c水平较低、甘油可变性降低、严重缺血事件减少直接相关。

皮肤并发症减少是另一个好处。 标准的粘合剂和塑料套装会给许多病人带来刺激。 定制表面可以包含通风道、更柔软的边缘和适合病人皮肤敏感性的低致敏材料。 在2023年的一项观测研究中,使用定制的3D打印的CGM挂载器的病人报告说,与之前的标准挂载相比,胶粘合剂相关的皮肤反应减少了60%。 较少的皮肤问题意味着磨损时间和更少的设备更换,这可以降低自付成本和医疗废物。

经济因素也倾向于规模定制。 虽然三维打印单个设备的成本高于高容量生产所需的注射模具,但成本曲线对低容量高变异应用的影响却很大地变化。 糖尿病影响着不同的人群,每个患者分组往往需要不同的设备几何。 传统制造方式,生产十种不同的住房设计需要十种独立的模具和大量的前置工具投资。三维打印方式,唯一的变化是数字文件。对于定制设备的中型生产,添加剂制造变得具有成本竞争力,特别是在减少浪费和收益时。

监管和物质挑战

尽管承诺,但3D打印定制设备成为常规前必须克服若干障碍。 监管批准是最重要的。 在美国,FDA要求任何医疗设备,包括3D打印设备,必须达到安全和有效性标准。 对于每个患者不同的定制设备,制造商必须不仅证明设计过程始终生产安全部件,而且证明每个打印设备都符合材料和维度规格。

食品药品管理局发布了一些医疗器械添加剂制造指导文件,这些文件要求制造商验证整个工作流程:成像、设计、材料处理、印刷、后处理和绝育。对于外部设备来说,这是可以管理的。对于植入器械来说,要求更加严格。必须证明材料是安全的,以便长期接触组织和体液。绝育方法不能使材料降解或改变其几何形状。每个打印批次都必须测试机械特性、表面完结和维度准确度。

材料限制是另一个障碍,与传统制造的可使用范围相比,经认证为生物相容和可消毒的材料数量仍然有限,例如PEEK、医疗级尼龙和某些硅等多聚体都得到批准,但每种物质都有具体的加工要求,例如PEEK熔融温度超过340摄氏度,需要高温打印床和挤压器,这些都不符合台式打印机的标准,这就增加了临床生产设备的成本,正在开发新的材料,包括可降低感染风险的抗微生物丝和可生物抗腐蚀聚合物,这些聚合物在体内安全降解,但每种新材料在临床使用前都必须经过全面的监管审查。

伸缩性和分布限制

将三维打印从一次性原型推广到常规临床生产,这带来了后勤挑战。 目前的临床打印机每天可以生产几台定制设备,远慢于注射模具。 为了实现符合需求的吞吐量,设施需要多个打印机同时运行,同时需要自动的后处理和质量控制系统。 一些医院和医疗中心正在建立护理点印刷实验室,在几个小时内就在当地制造定制设备。 这些实验室需要训练有素的技术人员、认证材料和无菌环境。 在每个主要的糖尿病中心建设这种能力是昂贵的,但随着时间的推移是可行的。

数字文件的分发提供了一种不集中生产的方式。 一个糖尿病设备公司可以设计一个基础平台,然后允许病人的临床医生输入解剖测量或成像数据。 一个安全的服务器可以生成定制文件,然后可以发送到诊所、药房甚至病人家中的当地打印机。 这个模型有时被称为护理点制造,它已经在整形和假肢中使用,并且可以适用于糖尿病设备。关键的挑战在于在上千个独立印刷点保持质量保证。 家用打印机的故障打印可以产生一个看上去正确但内部缺陷会损害消毒或强度的装置。

未来方向和研究优先事项

展望未来,几个研究重点有可能形成糖尿病3D打印的下一阶段。 多材料打印将允许在单一通道内用集成电子、药物库和传感器通道来建造设备。 打印机不是组装泵机制、电池和住房,而是可以将电路导轨痕迹与结构聚合物和硅胶封接一起存放,产生一个完整的泵组,准备电子插入。 这种集成将减少组装时间,消除组件结合的故障点。

将3D打印传感器和印出胰岛素的输送路径相结合的闭路回馈系统是另一个活动区域。 患者可以穿戴一个既包含CGM传感器又包含微灌泵的单发打印补丁,控制算法嵌入了打印电路层。 设备将自定义地被嵌入患者身体,从而减少对多个穿戴场地的需求并简化日常管理程序。

生物印记的进步将有可能推动完全可植入的β细胞封装装置,并实现血管综合。 目前的方法需要皮下口袋,依赖氧气和营养物的传播。 更大的构造需要活性血管化。 模仿自然毛细血管结构的可印刷微血管网络正在动物模型中测试。 如果成功,它们可以允许产生一个完全内部的针对患者的人工胰腺,从而完全不需要外部泵和传感器。

人工智能和机器学习将加快设计周期。 基因设计算法可以探索数千种可能的地美图,找到结构强度、材料使用最小和解剖功能最优化的算法。算法从病人结果中学习来完善未来的设计。这种AI驱动的方法将扫描到打印的时间从几天缩短到小时,使得日常门诊访问的同一天设备创建成为可行。

结论

3维打印并不是糖尿病治疗未来理论技术。 它已经在生产与临床相关的设备配置、病人舒适度和治疗坚持度方面的改进。 定制胰岛素泵房、CGM站、注入器、矫形器和可植入脚手架已经从概念转向研究中心和专业诊所的应用。 其好处超越个人方便,而扩大到了在甘油控制、皮肤健康和生活质量方面可衡量的改进。

广泛采用的途径并非没有障碍。 监管框架必须不断发展,以应对患者特定设备的可变性。 材料科学必须提供更广泛的经认证的生物兼容选择。 生产和分配系统必须重新设计,以生产点,而不是集中生产。 但根本逻辑是令人信服的:糖尿病是个人疾病,治疗方法也应该是个人的。 三维印刷提供了制造灵活性,可以匹配与患者的装置,而不是相反的方式。

随着糖尿病人口的增加和技术成本的不断下降,定制的3D打印设备的经济和临床案例只会加强。 临床医生、设备制造商、调节者和病人都与推动这一技术有利害关系。 目标很简单:一个完全适合、保持原位、持续提供治疗、并且变得如此无侵扰性,以至于病人可以专注于生活而不是管理设备。 这一愿景是可以实现的,是分层构建的。