乳腺癌是女性最常见的癌症之一，其中部分或全部组织切除(乳房切除术)是一个常规的临床治疗选择。这种侵入性手术的长期医学预后良好，但包括自我丧失在内的挥之不去的心理和情感影响会影响患者的幸福感和生活质量。选择性乳房重建手术包括游离血管化皮瓣、非血管化自体脂肪移植和基于移植的方法是可行的临床选择，但与坏死和大容量维持相关的挑战仍然存在。因此，通过微创手术和降低组织发病率来重建乳房的替代方法已经被采用。支架引导的组织再生是解决软组织重建挑战的一种有希望的方法。然而，大多数以前发表的脂肪组织工程研究显示，主要的局限性，使他们非临床可行的替代乳房重建。
从临床的观点来看，植入物应该符合医疗器械的管理(FDA)的食品和药物的监管要求。作为第一步，FDA批准的聚合物是促进AM支架过渡到临床前阶段的最合适的材料。然而，FDA批准的满足软组织工程物理性能要求的聚合物的数量是有限的。这促使了设计的使用，作为一个高度有效的方法来调整支架的特点，而进一步促进了AM的固有优势。总体而言，支架可以被精确地设计和打印，以优化预先定义的特性，超越材料体积特性的限制。从经济的角度看，这种计算机控制的方法也可以提高升级由于快速和准确的制造。与依赖于过程的传统方法相比，该技术依赖于设计，具有固有的再现性和定制性，允许开发具有高可扩展性的患者特异性支架。
Hutmacher课题组强调基于支架的乳房再生的力学和生物学的核心要求，使用AM制作了可生物降解的患者特异性植入物。根据支架引导组织再生的原理，建立了乳房支架内外结构的设计和制作流程，以独立控制其力学性能和结构。生物力学的要求包括一个外部结构，减少负荷传递到新形成的组织，最大限度地减少裂纹传播和应力集中的风险，并为病人提供足够的舒适度。生物需求包括具有特定孔径和孔几何的互连网，用于定向组织引导通路，再生不同体积分数的脂肪组织和高度组织的结缔组织。另一个需要考虑的是控制组织成分的因素是脂肪输送系统和用于立即或延迟注射吸脂脂肪组织的注射。
开发了一种设计、打印和优化外部结构的方法。患者的乳房CAD定制模型是通过站姿三维激光扫描获得的。在CAD模型的表面投影出基于金刚石的图形。在3DReshaper中开发了自定义代码，将模型转换为空心结构，并将图案线转换为3D支板进行打印。将空心结构用周长剖分，使支板截面完全填满。在优化打印条件下，在4℃室温下成功进行ABM，制作出悬垂结构的物理模型，不需要支撑。
由于外部结构应尽量减少向内部结构的荷载传递，因此还建立了有限元模型来评估不同加载条件下的外部结构。利用Abaqus将带投影模式的乳房CAD模型转换为金属丝网结构。将梁单元布置在丝网上，进行单轴或分布荷载作用下的静力分析。将试验压缩试验结果与有限元分析结果进行比较，认为连续梁单元的有限元模型比支架的物理模型更强，因此由于结构曲率的影响，边界的连续性受到部分融合点的影响。通过对不同直径的试验数据和仿真结果的比较，得出了在有限元分析中应将理论直径计的一半作为有效直径计来模拟物理模型的强度的结论。利用有限元分析，阐明了设计策略的潜力，调整外部结构的刚度，并开发一个刚度库，通过改变结构的结构。支架压缩20%所需的力根据结构刚度的不同范围为0.5到60N，通过施加不同直径和网格密度的大小来控制。在文献中，只有少数研究预测大容量乳房组织再生所需支架的机械性能。在此之前，Hutmacher课题组的团队已经评估了PCL支架在猪乳房大规模再生模型中的应用。需要压缩20%的支架植入前后的反作用力分别为38±1.05N和1.41±3.7N，均在本研究以金刚石为基础的结构所获得的力学性能范围内。该研究的发现揭示了血管的形成，随后引导支架内的组织入侵。作为患者特异性和舒适度的主要目标之一，在维持再生组织质量的同时，需要在体内和临床进一步研究支架刚度与上述要求的相关性。本研究中所提出的工作流程可适用于从菱形到辅助型的各种模式。应用不同模式的灵活性允许获得一个广泛的机械性能库，并精确控制外部结构的机械响应。
对于应力集中风险高的区域，外层的结构也可以局部加强。此后，研究的支架设计之一是在支架后区域增加2倍的网格密度，使该区域在局部压缩下的变形从5.9mm减少到0.8mm。局部控制支撑直径和网格密度的大小为定制的建筑提供了高度的设计灵活性，根据病人的生活、活动水平和舒适度，建筑可以很好地调整。这种柔性的另一个优点是控制了裂纹扩展风险高的区域。疲劳应力引起的裂纹扩展是硅胶乳房假体失效的常见原因。以往的研究表明，裂缝通常出现在赤道地区之间的前和后方面的传统硅胶乳房植入曲率是最大的。这个区域比其他解剖部位暴露于外部负荷更多，并且表现出最低的承受循环负荷的能力。因此，通过设计局部加固来减缓裂纹扩展，可以通过局部增加生物力学失效高风险区域的直径和网格密度来实现。
该系统由两部分组成，使内部结构在设计和材料选择上独立于外部结构。内部结构的CAD模型是通过将支架的整个体积缩小20%来获得的，从而导致内外层之间的间隙。空间增加了外部结构的灵活性，避免了直接向新形成的组织传递负荷。
为了使设计的灵活性得到改进，以便在使用吸脂脂质的支架再生中更好地实现脂肪输送系统，在内部结构中考虑了孔隙大小的梯度，以控制脂肪的移动和包裹。内部结构的CAD模型被分为三个区域，分别控制每个截面的孔径。这三个区域都是通过逐层打印技术同时打印的。通道结构也被合并到内层中。
所提出的方法允许根据患者的具体因素定制支架。在文献中，缺乏对再生软组织质量的生物力学参数和生物力学参数的大规模评估，这可能是因为之前没有引入任何方法对其进行独立控制。不同运动水平和生活方式的患者，包括跑步者、游泳者，甚至背部或侧卧睡姿的人，都会经历不同的关键负荷情况。在未来，需要进行一系列生物力学实验来评估支架的生理负荷和边界条件。通过考虑应力分布，新形成的组织能够承受且对再生过程没有任何伤害或损害的应力范围和患者感到舒适的刚度范围，外部拓扑结构可针对每个患者进行具体优化。有限元法避免了迭代设计和3D打印，使定制过程更加可行。生物需求的相关性，包括孔隙大小，孔隙几何形状和体积的立即或延迟脂肪注射应探索再生组织的组成。根据患者的需要，包括乳房组织的硬度和体积，植入部位和癌症复发的几率，这些参数可以在设计库中定制。
参考文献：M.Mohseni,etal.AdditiveManufacturing30()
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