英國東安格利亞大學(xué)(UEA) 的研究人員在眼科耗材技術(shù)方面取得了重大突破，開發(fā)了一種用于 3D 打印眼內(nèi)植入物的新型樹脂。這項創(chuàng)新可以提高用于白內(nèi)障和屈光手術(shù)眼內(nèi)植入物的開發(fā)及生產(chǎn)效率。 

 

前言

 

2024年5月19日，來自英國東安格利亞大學(xué)的研究團隊在「Current Eye Research 」發(fā)表研究成果「Stereolithographic Rapid Prototyping of Clear, Foldable, Non-Refractive Intraocular Lens Designs: A Proof-of-Concept Study」即「立體光刻快速成型透明、可折疊、非屈光性人工晶狀體設(shè)計：概念驗證研究」。研究團隊成員有來自生物科學(xué)學(xué)院和藥學(xué)院的研究人員。

總的來說，研究人員開發(fā)了一種基于立體光刻技術(shù)的工藝，用于生成不具有屈光性能的透明晶狀體設(shè)計模型，作為概念驗證。這一過程有可能促進新型人工晶體的開發(fā)，允許無限的設(shè)計迭代，并為科學(xué)家們探索更廣泛的材料提供可能性。研究人員開發(fā)了一種含有丙烯酸 2-苯氧基乙酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和合適光引發(fā)劑的光聚合樹脂，用于生產(chǎn)類似透鏡的 3D 物體原型，并使用立體光刻 (SLA) 技術(shù)成功制造了不具有折射功能且具有環(huán)觸覺設(shè)計的一體式類透鏡 3D 物體。根據(jù)紫外光譜測定，所得 3D 物體是透明的。乳酸脫氫酶測試證明了晶狀體細胞對原型材料的耐受性，并且在體外直接注入人體囊袋模型時，觀察到了明顯的可折疊性和形狀恢復(fù)。這項原理驗證研究證明了快速原型制作過程對于研究和開發(fā)類透鏡 3D 物體原型（例如人工晶狀體）的潛力和意義。

在看文章前，我們先來理解下什么是Stereolithographic（Stereolithography）。立體光刻技術(shù)（SLA，Stereolithography Appearance）是應(yīng)用最廣泛的快速原型技術(shù)。它可以生產(chǎn)高度精確和細節(jié)豐富的聚合物部件。這是首個快速成型工藝，由 3D Systems公司在發(fā)明家 Charles Hull 工作基礎(chǔ)上于 1988 年推出。SLA使用低功率、高度聚焦的紫外激光在一桶液體光敏聚合物中逐層勾畫出三維物體的連續(xù)橫截面。當(dāng)激光勾畫層時，聚合物固化，剩余區(qū)域保持液態(tài)。當(dāng)一層完成后，平整刀片在表面上移動以使其平滑，然后再勾畫沉積下一層。平臺下降一個等于層厚度（通常為0.003-0.002英寸）的距離，隨后一層形成在先前完成的層之上。這一勾畫和平整的過程重復(fù)進行，直到構(gòu)建完成。完成后，部件被提升出液槽并排干。多余的聚合物被拭去或沖洗掉。在許多情況下，通過將部件置于紫外線烤箱中進行最終固化。最終固化后，從部件上切下支撐件，并對表面進行拋光、打磨或其他精加工。

圖源：custompartnet

 

研究介紹

 

2.1 背景

 

白內(nèi)障是一種晶狀體混濁，是全世界導(dǎo)致失明的主要原因。1,2超過 50% 的失明是由這種病理引起的，在老年人群中患病率更高。因此，由于發(fā)達國家預(yù)期壽命的延長，白內(nèi)障的發(fā)病率預(yù)計只會上升。1目前，白內(nèi)障唯一有效的治療方法是手術(shù)。3在白內(nèi)障手術(shù)期間，通過執(zhí)行撕囊技術(shù)在晶狀體前囊中形成一個圓形開口（直徑約 5 毫米）。然后通過超聲乳化術(shù)乳化并提取白內(nèi)障晶狀體。4然后將人工晶狀體（IOL）植入囊袋內(nèi)，以恢復(fù)自然晶狀體的屈光力。5在此過程之后，光線可以自由地穿過透明的植入人工晶狀體。6這使得在視網(wǎng)膜中形成高質(zhì)量的視覺圖像并隨后提高視力。7,8

IOL 由位于視軸內(nèi)并提供屈光特性的光學(xué)元件和在囊袋內(nèi)提供支撐和穩(wěn)定性的觸覺元件組成。9目前，人工晶狀體的制造使用了多種材料。它們可以是剛性疏水聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)，也可以是柔性材料，例如丙烯酸樹脂、有機硅和水凝膠。10使用具有高折射率的柔性生物材料可以通過較小的切口植入人工晶狀體，這對眼睛的破壞較小，并且與較低的術(shù)后炎癥有關(guān)。因此，植入可折疊人工晶狀體比植入剛性人工晶狀體更可取。9同樣，有不同的人工晶狀體設(shè)計用于植入眼前節(jié)的不同部位。這些包括單件或多件配置、板式觸覺或開環(huán)式以及有角度或平面觸覺設(shè)計。11,12

IOL 的制造主要采用模壓法和車床法。13,14模制人工晶狀體是通過將可聚合樹脂倒入模具中并加熱以引發(fā)材料的熱聚合來生產(chǎn)的。13另一方面，車床加工涉及生產(chǎn)棒材，這些棒材被切割成盤形結(jié)構(gòu)，然后用車床加工以生產(chǎn) IOL。15,16一旦形成，人工晶狀體就會被拋光，以去除任何可能損害人工晶狀體表面光滑度的偽影，同時保留鋒利的邊緣。13,14雖然利用這些制造技術(shù)可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的人工晶狀體，但它們也有許多缺點，特別是在制作新的人工晶狀體設(shè)計原型時。首先，這些方法特別耗時，因為它們需要高要求的清潔程序和多個步驟的執(zhí)行。17在成型的情況下，由于聚合物從模具中溢出，人工晶狀體的邊緣可能會形成偽影。如果在植入前不將其移除，可能會對眼內(nèi)組織造成損害。18另一個問題是與使用專業(yè)設(shè)備相關(guān)的高成本，這些設(shè)備經(jīng)常因損壞和磨損而需要更換。17 這些限制使得人們希望尋求更快且更具成本效益的人工晶狀體生產(chǎn)技術(shù)。

增材制造允許通過逐層沉積材料直至形成整個結(jié)構(gòu)來制造在計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件上設(shè)計的物體。19,20在目前可用的不同類型的增材制造技術(shù)中，SLA 通常是制造鏡片的首選方法。21該工藝有許多優(yōu)點，包括高分辨率和制造速度、可使用材料的多功能性以及同時使用它們的可能性。22這些屬性使 SLA 成為一種有前途的技術(shù)，可加速新型 IOL 原型的生產(chǎn)。

 

雖然之前的研究已經(jīng)嘗試使用增材制造技術(shù)來生產(chǎn) IOL，但沒有一篇研究分析過制造商用模型的結(jié)構(gòu)以及對特定原型的物理化學(xué)、機械和生物特性的分析。23–25研究人員在此報告了一種通過SLA 使用內(nèi)部開發(fā)的光聚合配方用于生產(chǎn)和表征類透鏡 3D 物體的方法。使用這種材料可以生產(chǎn)出具有此類植入物所需機械性能的透明裝置。體外測試了材料的細胞相容性，證明聚合物不會對晶狀體上皮細胞引起毒性反應(yīng)。因此，這項概念驗證研究表明，盡管應(yīng)謹慎選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，但可以使用 SLA 所用的材料來生產(chǎn)類似透鏡的 3D 物體。此外，還建立了一套表征技術(shù)，并適用于使用非專業(yè)設(shè)備對打印植入物進行分析。研究結(jié)果表明，在考慮將其應(yīng)用于制造屈光性人工晶狀體（IOL）之前，該過程還需要改進和額外的測試。然而，它仍然適合生產(chǎn)原型，有可能幫助研究人員開發(fā)創(chuàng)新的治療植入物耗材，以應(yīng)對特定的臨床挑戰(zhàn)。

 

總結(jié)來說，白內(nèi)障作為全球主要的致盲原因，促使了人工晶狀體制造技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的模壓法和車床法雖然能夠生產(chǎn)高質(zhì)量的IOL，但在制造新設(shè)計原型時存在許多局限性。增材制造特別是SLA技術(shù)的應(yīng)用，為快速、成本效益高的IOL生產(chǎn)提供了新的可能性。盡管目前還需要進一步研究和改進，但SLA技術(shù)有望在未來的IOL設(shè)計和生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，促進治療植入物的創(chuàng)新發(fā)展。

 

2.2 研究內(nèi)容

 

2.2.1 材料和方法(略)

2.2.2 結(jié)果

2.2.2.1 制作沒有折射功能的類似透鏡的 3D 物體原型

SLA 成功生產(chǎn)了以標(biāo)準(zhǔn) IOL 設(shè)計為模型的植入式裝置。使用 Blender 創(chuàng)建不具有折射功能的類透鏡 3D 物體的 CAD 模型。該模型基于帶有環(huán)形觸覺的一體式 IOL；在這種情況下，光學(xué)部件的兩面都是平坦的（圖1）。觸覺到觸覺的長度為13毫米，光學(xué)直徑為6毫米，厚度設(shè)定為0.9毫米。這些器件的制造采用了由丙烯酸 2-苯氧基乙酯 (POEA) 和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯 (PEGDMA) 組成的樹脂。進行了一項試點研究以優(yōu)化樹脂的成分。選擇含有 93% (w/w) POEA 和 7% (w/w) PEGDMA 的配方來制造植入物。在這些實驗中測試的所有配方中，光引發(fā)劑與樹脂總質(zhì)量的比例保持在額外的 1% (w/w)。

 

 

圖1：通過立體光刻技術(shù)生產(chǎn)不具有折射功能的類透鏡 3D 物體的示意圖。為此開發(fā)并使用了由丙烯酸酯單體和交聯(lián)劑組成的樹脂。

制造完成后，使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)數(shù)字卡尺測量植入物的尺寸。打印器件與CAD模型的尺寸對比精度為光學(xué)直徑94.5%，厚度比CAD模型理論尺寸高64%。這些數(shù)據(jù)表明，盡管該裝置制造成功，但尺寸精度受到影響。

 

2.2.2.2后固化效率評估

打印的器件經(jīng)過后固化過程，以去除聚合物結(jié)構(gòu)中殘留的任何未反應(yīng)的單體。通過在 d-氯仿中孵育完全或部分后固化的樣品并隨后使用以下方法檢測浸入溶劑中的單體來監(jiān)測該過程的效率：1核磁共振氫譜。該實驗還用于確定聚合殘余單體所需的紫外線照射和加熱的最短時間。結(jié)果表明，紫外線照射1小時后，未反應(yīng)分子的數(shù)量大幅減少，但隨著照射時間的延長，未反應(yīng)分子的數(shù)量并沒有進一步減少（圖2）。因此，得出的結(jié)論是，熱后固化對于完成聚合物內(nèi)殘留單體的聚合是必要的。從光譜中可以看出，在真空中加熱4小時后沒有檢測到單體分子。

 

圖2：1H NMR 光譜是通過對經(jīng)過不同階段的后固化過程（用 405 nm 紫外/可見光照射 1 小時并在 80 °C 下加熱）的打印類 IOL 器件的孵化介質(zhì)進行分析而獲得的。4.8-5.2 ppm 處的信號強度（以黑色矩形突出顯示）是由從聚合物中浸出的剩余未反應(yīng)單體的烯基產(chǎn)生的，隨著后固化時間的延長而降低。

2.2.2.3 無折射功能的類透鏡 3D 物體的物理化學(xué)表征

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（時間G）的印刷聚合物通過 DSC 進行評估。根據(jù)結(jié)果（圖3(A)）， 這時間G形成印刷器件的交聯(lián)聚合物的溫度為 4.85 ± 1.09 °C，這表明該材料在室溫下可能是橡膠狀且柔韌的。

 

圖3：形成 SLA 制造植入物的生物材料的物理化學(xué)特性。這時間G是從 DSC 分析的第三個加熱循環(huán)中獲得的，值為 4.7 ± 0.4 °C (n = 3) (A)。聚合物熱重分析得出的熱分析圖顯示，它在 388.2 ± 2.1 °C 時開始降解（n = 3) (B)。描繪一個月內(nèi)溶脹比變化的線圖表明，聚合物在這段時間內(nèi)沒有吸收任何水（n = 4) (C)。

 

通過熱重分析（TGA）評估聚合物的熱穩(wěn)定性。據(jù)資料顯示（圖3(B)），交聯(lián)聚合物在?382.4±2.17°C開始分解。降解發(fā)生在一步中，在~450°C 時完成。最后，通過體外進行膨脹測試來評估植入物在類似于房水的環(huán)境中的行為。將打印的裝置在 35°C 的 PBS（pH 7.4）中孵育 1 個月，并記錄不同點的重量。由于它們的重量在整個分析過程中保持恒定（圖3(C)），得出的結(jié)論是，由于其高疏水性，該裝置不吸收任何水。測量的高水接觸角證實了這一點通過座滴技術(shù)，其平均值為 82.3 ± 3.2°。這與商業(yè) IOL AcrySof® 的水接觸角相當(dāng)，即 84.4 ± 0.09°。27

 

2.2.2.4 光學(xué)表征

通過測量材料的光學(xué)透射率來研究打印的透鏡狀模型的透明度。分析結(jié)果表明，植入物透射了它們所暴露的 80-85% 的可見光（圖4(A)）。紫外線滅菌導(dǎo)致透光率下降 3%。還通過在網(wǎng)格線背景下對器件進行成像來評估器件的光學(xué)特性（圖4(B)）。這表明，根據(jù)透射率測量獲得的結(jié)果，植入物相對透明并且允許網(wǎng)格線可視化。

 

圖4：打印的透鏡狀 3D 物體的光學(xué)特性。(A) 滅菌前后裝置的光譜透射率。將一組植入物用紫外線照射消毒 1 小時，并將其透光率與未消毒的植入物進行比較。光譜表明，印刷器件允許可見光范圍（380-700 nm）內(nèi)的光透射，并且紫外線滅菌過程使光透射率略微降低約 3%。獲得透光率 (%)，并針對 300–900 nm 的波長范圍進行表示。數(shù)據(jù)表示為平均值± 標(biāo)清（n = 9）。(B) 在類似 IOL 的印刷物體后面看到的網(wǎng)格的視覺清晰度。比例尺代表 1 毫米。

2.2.2.5 機械特性

觸覺拉伸強度測試表明，干燥時這些結(jié)構(gòu)在與光學(xué)部件分離之前承受的力為 0.56 ± 0.07 N并且在 37°C 的 PBS 中孵育后，該值降低至 0.39 ± 0.05 N。在這兩種情況下，它們均符合 ISO 11979-3 規(guī)定的 0.25 N 最小值。

 

2.2.2.6 形態(tài)學(xué)評價

使用掃描電子顯微鏡（SEM）評估打印的透鏡狀物體的形態(tài)。裝置的中心部件保持光滑的圓形形狀，并且其上表面相對均勻（圖5(A)）。同樣，也可以觀察到觸覺的明確定義（圖5(B)）。觸覺部分和光學(xué)部分的垂直邊緣都是平坦且一致的。然而，垂直邊緣和水平表面相交的點在外觀上是圓形的，沒有形成尖銳的方形邊緣，這是一些 IOL 制造商所青睞的特征（圖5(C)）。

 

圖5：掃描電子顯微鏡圖像顯示了打印和后固化的人工晶體植入物的特征。左側(cè)是中心組件的俯視圖，白色箭頭突出顯示外邊緣，白色圓圈標(biāo)記該部分的中心 (A)。中間是觸覺部件和中央部件 (B) 之間連接處的俯視圖。右側(cè)是中心部分和植入物觸覺之一的斜角圖像。請注意，該圖像捕獲了中心組件和觸覺 (C) 的垂直邊緣。

2.2.2.7 打印植入物的生物相容性

研究了后固化過程對打印類晶狀體模型生物相容性的影響體外。未進行后固化或已經(jīng)歷不同階段的后固化方案的樣品與 FHL-124 晶狀體細胞共孵育 48 小時體外。在此時間段之后，進行LDH測試。在未使用后固化聚合物孵育的細胞中檢測到培養(yǎng)基中 LDH 濃度最高。這些水平與對照顯著不同，正如方差分析和 Tukey 測試所證實的那樣（p ?0.05）。圖6結(jié)果表明，當(dāng)細胞在經(jīng)過紫外線后固化的聚合物存在下培養(yǎng)時，LDH 水平顯著下降。當(dāng)裝置在經(jīng)歷紫外線照射步驟后在真空中加熱時，細胞死亡水平似乎進一步降低，使得細胞死亡與僅細胞對照細胞沒有顯著不同。還觀察到熱處理持續(xù)時間的增加導(dǎo)致植入物的毒性降低。當(dāng)聚合物裝置在紫外線照射后加熱過夜時，檢測到最低的細胞毒性。在該實驗組中，細胞死亡水平與僅細胞的陰性對照相當(dāng)。因此，得出的結(jié)論是，必須用紫外線照射裝置 1 小時并在真空中加熱過夜，以盡量減少這些裝置引起的毒性。

 

圖6：通過使用晶狀體細胞系 FHL-124 進行 LDH 測試來分析印刷器件的細胞毒性。結(jié)果表明，用紫外線/可見光 (405 nm) 處理鏡片并在 80 °C 下加熱可降低材料的細胞毒性。僅在后固化聚合物組中觀察到細胞毒性顯著增加。所有其他處理組中的LDH釋放與對照（無聚合物）相當(dāng)。細胞毒性通過使用市售試劑盒(Roche)在48小時的孵育期后釋放的總LDH來評估。數(shù)據(jù)表示為平均值±SEM（n = 9）并標(biāo)準(zhǔn)化為對照組。* 表示與控制有顯著差異（p < 0.05，單向方差分析與 Tukey 檢驗）。

2.2.2.8 將 SLA 制造的晶狀體模型體外植入人體囊袋中

為了模擬臨床情景，打印的類晶狀體物體被折疊并裝入IOL注射系統(tǒng)，然后射入含有PBS的培養(yǎng)皿中（圖7）。注射后，折疊的植入物展開并恢復(fù)其自然形狀，而不影響其結(jié)構(gòu)特性。

 

圖7。數(shù)字視頻的多個幀顯示了從手術(shù)注射器中輸送類似透鏡的 3D 物體。前三張圖像 (A–C) 顯示了原型（用箭頭表示），位于注射器內(nèi)部并被輸送到水介質(zhì)中。植入物從注射器釋放后展開（D，E），直到恢復(fù)其原始形狀（F）。

已經(jīng)證明打印設(shè)備可以通過臨床工具成功遞送，下一步是展示打印原型可以植入囊袋（圖8）。為此，使用了人類囊袋模型。該系統(tǒng)通過體外進行模擬白內(nèi)障手術(shù)生成。使用標(biāo)準(zhǔn)的IOL注射器成功地將一個打印的類晶狀體物體植入囊袋中，且囊袋沒有破裂。植入物位置居中，沒有引起囊袋的異常變形。

 

圖8：數(shù)字圖像顯示了在體外人類囊袋模型中植入打印的類IOL裝置的過程。圖像（A）中可以看到植入物遞送到囊袋中的過程。一旦植入囊袋，植入物恢復(fù)了其原始形狀，并且沒有引起囊袋的任何變形（B）。

 

2.2.3 討論

雖然當(dāng)前的 IOL 制造技術(shù)可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，但原型設(shè)計和制造方法還有很大的改進空間。在當(dāng)前實踐中，新穎設(shè)計的生產(chǎn)需要制造新模具或其他專業(yè)設(shè)備，從而產(chǎn)生相關(guān)費用和漫長的制造時間。此外，容納制造設(shè)備所需的大空間使得研究人員更難接近。這阻礙了新型人工晶狀體的開發(fā)，其設(shè)計和材料性能的改進可以預(yù)防術(shù)后并發(fā)癥。使用 SLA 快速制造 IOL 可以加速原型制作過程，從而無需模制或大量車削程序。雖然之前的研究嘗試使用 SLA 來生產(chǎn) IOL，但這些研究并未提供尺寸精度、機械性能和生物相容性的定量評估。因此，所得植入物的功能并未得到證實。

 

本研究的原理驗證研究旨在展示使用 SLA 技術(shù)生產(chǎn) IOL 原型，以及可打印材料形成可滿足某些要求（例如生物相容性和機械強度）的 IOL 的潛力。在考慮進入其應(yīng)用的進一步階段之前，研究人員還分析了需要改進的方面。

 

為了演示該過程，研究人員制作了一個帶有光學(xué)區(qū)域和環(huán)形觸覺的標(biāo)準(zhǔn) IOL 設(shè)計。研究人員選擇 POEA 作為主要單體，PEGDMA 作為交聯(lián)劑來制造類似 IOL 的植入物。POEA 是合適的，因為它是一種具有相對較高折射率 (1.52) 的芳香族單體，而 PEGDMA 是一種脂肪族雙功能交聯(lián)劑，可摻入混合物中以獲得具有合適機械性能的原型。

 

一旦打印出類似人工晶狀體的模型，就會研究理論尺寸和物理尺寸之間的準(zhǔn)確性。盡管植入物的所有部件均已成功制造，但打印設(shè)備的物理尺寸與 CAD 模型的物理尺寸不同。SLA 制造的模型中心部件直徑的平均精度為 94.5 ± 0.4%。然而，該器件的厚度比 CAD 模型的厚度高 64 ± 7.8%。這表明需要進一步優(yōu)化來限制紫外線對樹脂的穿透深度。使用構(gòu)建平臺有利于限制固化深度，但會導(dǎo)致逐層制造，從而影響物體的光學(xué)質(zhì)量。然而，3D 打印行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新促進了高分辨率打印機的發(fā)展，這些打印機的功能使其與光學(xué)設(shè)備的制造更加兼容。使用此類系統(tǒng)制造人工晶狀體，再加上本工作中報告的配方和表征方法，可以加速創(chuàng)建新人工晶狀體原型并將其推進臨床前測試階段的過程。

 

接下來，研究人員對打印的透鏡狀物體進行后固化過程，以完成任何未反應(yīng)的單體或聚合物鏈的聚合，因為這將提高機械強度和生物相容性。通過用紫外線照射器件并在 70°C 的真空烘箱中加熱，對器件進行后固化。暴露在紫外線下會激活未反應(yīng)單體和聚合物鏈之間化學(xué)鍵的形成。真空下加熱加速了這一過程，同時防止了氧氣產(chǎn)生的抑制作用。NMR 分析和 LDH 細胞毒性測試表明，確保耗盡未反應(yīng)單體所需的最佳后固化時間是 UV 照射 1 小時，然后在真空烘箱中孵育過夜。細胞毒性測定表明，未經(jīng)后固化的聚合物植入物引起的毒性水平顯著高于陰性對照，陰性對照不包含任何與細胞接觸的裝置。另一方面，過夜后固化的植入物引起的細胞死亡水平顯著降低，與陰性對照的細胞死亡水平相當(dāng)。因此，得出的結(jié)論是，后固化方案通過消除 SLA 后殘留在聚合物內(nèi)的未反應(yīng)單體，提高了打印設(shè)備的生物相容性。

 

通過進行物理化學(xué)表征來評估所制造的原型在白內(nèi)障手術(shù)中的適用性。通過在35℃（人眼的溫度）的水介質(zhì)中進行溶脹測試來計算平衡含水量。由于其疏水性，類晶狀體模型的聚合物結(jié)構(gòu)不吸收任何水。這可能有利于防止某些人工晶狀體中出現(xiàn)的反光現(xiàn)象，并有利于晶狀體在植入囊袋后保持其尺寸。評估了設(shè)備的透明度通過光學(xué)成像并通過測量光譜透射率。這表明它們是光學(xué)透明的，盡管它們的透明度比 AcrySof ®人工晶狀體低約 10%。28然而，值得注意的是，本生產(chǎn)制作沒有拋光步驟。

 

IOL用于白內(nèi)障手術(shù)還需要具備其他特性，包括可折疊/展開并且觸覺部分在從光學(xué)部分分離前能夠承受0.25N的力。這將使植入物能夠在通過小切口注入時承受的機械應(yīng)力。打印樣品的DSC分析顯示，用于制造人工晶狀體（IOL）的聚合物具有4.7 ± 0.4°C的玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。確定Tg至關(guān)重要，因為它表示聚合物從硬脆狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦彳浐挽`活的狀態(tài)的溫度。這種靈活性對于IOL至關(guān)重要，因為在白內(nèi)障手術(shù)期間需要將其折疊以便通過小切口插入。Tg的一致性，通過其狹窄的范圍得出的建議，確保了聚合物在關(guān)鍵的折疊和插入階段中將表現(xiàn)出可預(yù)測的行為。

此外，DSC曲線提供了-5.6°C的起始溫度和11.96°C的結(jié)束溫度，表明聚合物在遠低于室溫的溫度開始軟化，并在正常生理溫度以上保持靈活性。這種特性對于手術(shù)中IOL的操控至關(guān)重要，因為它使得能夠輕松處理，而不會影響材料在眼內(nèi)定位后恢復(fù)原狀的能力。

通過機械測試，研究人員證實了IOL的觸覺部分能夠在從光學(xué)部分分離之前承受明顯高于0.25 N閾值的拉力。這種在熱和機械方面的堅固性對于在通過小切口注射期間承受的機械應(yīng)力至關(guān)重要，特別是在乳化技術(shù)用于IOL植入的白內(nèi)障手術(shù)中。進一步的化學(xué)表征包括TGA，確認了形成植入物的聚合物具有高熱穩(wěn)定性。使用掃描電鏡評估了打印設(shè)備的形態(tài)。通過這種技術(shù)獲得的圖像顯示了設(shè)備的所有部件都以相對較好的分辨率成功制造出來。通常，設(shè)備的表面是光滑平坦的，盡管這些模型中沒有形成預(yù)防繼發(fā)性白內(nèi)障所需的方形邊緣。

最后，使用離體人類囊袋模型進行了植入測試，以評估這些設(shè)備在注射過程承受的機械應(yīng)力的抗性。SLA制造的類透鏡狀物體使用手術(shù)注射器注入囊袋。因此，通過臨床儀器使用這些設(shè)備在人眼中的可植入性得到了證實，因為它們具有在此過程中承受的適當(dāng)?shù)娜犴g性和機械強度。此外，還確認了植入物的尺寸足夠適合植入，不會引起囊袋的異常拉伸或變形，這可能會影響其光學(xué)性能。

 

2.3 結(jié)論

這項概念驗證研究表明，SLA技術(shù)可用于直接和快速制造具有相對高精度、良好透明度、可折疊性和生物相容性的類IOL物體。本研究已經(jīng)證明了可以快速原型化IOL，無需首先開發(fā)特定的IOL模具或進行復(fù)雜的車削過程。因此，這將促進創(chuàng)造出使用傳統(tǒng)制造方法很難原型化的新型IOL設(shè)計。這項研究產(chǎn)生的模型具有光學(xué)清晰、疏水性，并且滿足ISO 11979-3所建立的觸覺拉力要求。體外進行的LDH分析確認了與后期固化聚合物設(shè)備接觸的細胞中不存在毒性反應(yīng)。本研究還展示了在體外先進人類囊袋模型中制造設(shè)備的可折疊性和可植入性。然而，需要進一步研究以提高打印分辨率，以改善尺寸準(zhǔn)確性，另外未來需要優(yōu)化的其他方面還包括工藝的可擴展性和可重復(fù)性。

 

評析

 

該創(chuàng)新研究將材料科學(xué)與醫(yī)療診療需求相結(jié)合，需要廣泛的跨專業(yè)知識融合來合作開發(fā)這些類型的眼科耗材和設(shè)備。

上述概念驗證論文是UEA關(guān)于「快速3D打印技術(shù)在人工晶狀體設(shè)計中的應(yīng)用」---「基于快速計算機輔助設(shè)計、3D 打印配方和打印后精加工工藝的人工晶狀體 (IOL) 原型開發(fā)新工藝」研究系列中的開篇。接下來，研究團隊將在擴大化生產(chǎn)和提高打印分辨率以改善尺寸精度上繼續(xù)努力。進入到臨床試驗階段還需要數(shù)年時間。

IOL 的歷史和現(xiàn)有制備材料，包括PMMA和硅膠，近年來主要使用丙烯酸脂材料。目前，因具有優(yōu)良的光學(xué)透性、生物相容性以及在眼內(nèi)的穩(wěn)定性和安全性，親水性丙烯酸酯（水凝膠）和疏水性丙烯酸酯是最常用的材料。當(dāng)前制造IOL的方法使用車削和模具技術(shù)。這些方法雖然能生產(chǎn)出高工程質(zhì)量和高光學(xué)質(zhì)量的設(shè)備，但在設(shè)計復(fù)雜性和定制方面存在固有的局限性。

雖然這項創(chuàng)新技術(shù)仍處于早期開發(fā)階段，但具有的優(yōu)勢顯著：可以快速設(shè)計各種不同的 IOL，快速制造小批量或批量生產(chǎn)的新晶體，縮短產(chǎn)品開發(fā)生命周期，并適應(yīng)不同客戶的要求。首先，開發(fā)了本身適應(yīng)3D打印的創(chuàng)新材料，開發(fā)了具有更好光學(xué)性能的新材料，可以制造不僅能矯正視力還可以增強視力的晶體。其次，3D打印能帶來：1）個性化定制：可以根據(jù)每位患者的眼部結(jié)構(gòu)和視覺需求個性化定制晶體，可以改善視力矯正和舒適度；2）實現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計：3D打印使生產(chǎn)制造以前難以實現(xiàn)的復(fù)雜形狀的晶體成為可能，這些設(shè)計可以更好地解決更多的視力問題；3）更高效率生產(chǎn)：與傳統(tǒng)方法相比，3D打印可更快地設(shè)計、測試和制造晶體；4）實現(xiàn)可及性：通過使用3D打印，定制或高質(zhì)量晶體的生產(chǎn)成本可能會降低，使更多患者負擔(dān)得起，特別是在經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)，從而帶來更好的公共衛(wèi)生結(jié)果。此外，該創(chuàng)新技術(shù)未來與前沿技術(shù)的結(jié)合將帶來更多可能性：1）例如研究人員接下來會將3D打印與先進的成像技術(shù)結(jié)合，幫助生產(chǎn)適合每個患者眼睛的晶體，減少術(shù)后并發(fā)癥；2）這項新技術(shù)通過實現(xiàn)便攜式制造來提供偏遠和經(jīng)濟落后地區(qū)的屈光不正解決方案；3）對高端市場而言，還有潛力支持優(yōu)質(zhì)定制晶體的生產(chǎn)，從而提高更高端醫(yī)療保健環(huán)境下的手術(shù)效果，提高患者滿意度和手術(shù)成功率。

目前該技術(shù)已獲得了美國專利，并在UEA大學(xué)旗下推動創(chuàng)新和商業(yè)化研究的大學(xué)企業(yè) UEA Enterprise 繼續(xù)開發(fā)。

 

該研究得到了英國東英吉利大學(xué)通過創(chuàng)新發(fā)展基金和概念驗證撥款、人道研究信托基金以及工程與物理科學(xué)研究委員會（EPSRC）的資助，接下來進一步的開發(fā)資金由該大學(xué)的醫(yī)學(xué)研究委員會（MRC）影響加速賬戶（IAA）提供資金支持。

目前全球不少高校科研團隊對3D打印人工晶體都產(chǎn)生了濃厚的興趣并在積極攻關(guān)相關(guān)技術(shù)突破。如可定制化的高光學(xué)性能且人眼友好的3D打印人工晶體問世，該技術(shù)及衍生產(chǎn)品既可下沉市場亦可升維需求，該突破或?qū)氐赘淖兡壳鞍變?nèi)障的診療現(xiàn)狀。

 

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