Strukturalna i fizykochemiczna stabilność materiałów bolusowych drukowanych w 3D stosowanych w radioterapii

Dlaczego kształt napromieniania ma znaczenie

Kiedy lekarze stosują radioterapię w leczeniu nowotworów, kierują silne wiązki promieniowania rentgenowskiego na guzy położone tuż pod skórą. Aby trafić w chorobowo zmienione tkanki, jednocześnie oszczędzając zdrowe, często umieszczają na skórze pacjenta spersonalizowaną nakładkę zwaną bolusem. Nakładka ta subtelnie zmienia miejsce, w którym występuje najwyższa dawka promieniowania. Wiele szpitali testuje dziś druk 3D, by tworzyć idealnie dopasowane bolusy, ale kluczowe pytanie pozostaje: czy tworzywa używane do drukowanych nakładek zachowują stabilność po naświetleniu dawkami znanymi z terapii?

Spersonalizowane nakładki dla złożonych kształtów ciała

Tradycyjne bolusy często odlewa się ręcznie z wosku lub żeli, co bywa czasochłonne i utrudnia dokładne powtórzenie kształtu z sesji na sesję. Dzięki drukowi 3D klinicyści mogą projektować nakładki idealnie dopasowane do ciała pacjenta na podstawie badań obrazowych, co poprawia komfort i zmniejsza drobne szczeliny powietrzne, które mogą zaburzać rozkład dawki. Ma to szczególne znaczenie w obszarach takich jak głowa i szyja, gdzie powierzchnia jest nieregularna, a narządy krytyczne leżą blisko skóry. Badanie koncentruje się na dwóch tworzywach powszechnie stosowanych w drukarkach 3D: ABS — sztywnym, szeroko dostępnym plastiku — oraz TPC — bardziej elastycznym materiale, który może lepiej dopasowywać się do ciała.

Wystawienie drukowanych tworzyw na wiązkę

Aby odtworzyć warunki rzeczywistego leczenia onkologicznego, badacze wydrukowali małe bloki z ABS i TPC i wystawili je na całkowitą dawkę promieniowania rentgenowskiego 70 gray, zbliżoną do pełnego kursu radioterapii. Przed i po napromienieniu mierzyli wymiary, twardość, chropowatość powierzchni, współczynnik tarcia oraz wewnętrzne zmiany w strukturze i zachowaniu termicznym. Testy te pokazują, czy bolus zachowa kształt, nadal będzie dobrze przylegać do skóry i uniknie pęknięć czy zużycia podczas wielokrotnego użycia. Nawet drobne przesunięcia grubości lub tekstury, rzędu setnych milimetra, mogą zmienić sposób podawania promieniowania do powierzchownych guzów.

Jak wypadają oba tworzywa

Oba materiały zachowały praktycznie te same wymiary po ekspozycji; ABS wykazał jedynie bardzo niewielką, lecz mierzalną zmianę grubości, natomiast TPC pozostał wymiarowo stabilny. Powierzchnie obu tworzyw stały się gładsze, co może poprawić kontakt ze skórą i zmniejszyć pęcherze powietrzne. Jednak ABS wykazał więcej oznak degradacji powierzchni oraz dramatyczny spadek tarcia o 70%, co oznacza, że mógłby łatwiej się ślizgać po skórze. TPC z kolei zmienił się bardzo nieznacznie pod względem tarcia i zużycia, co sugeruje, że jego powierzchnia pozostaje bardziej przewidywalna przy wielokrotnym użytkowaniu. Twardość nieznacznie wzrosła w obu materiałach, co może pomóc im zachować kształt, ale także zmniejszyć zdolność do idealnego układania się na skomplikowanej anatomii.

Co dzieje się wewnątrz materiałów

Aby sprawdzić, jak promieniowanie wpływa na tworzywa na poziomie molekularnym, zespół użył spektroskopii w podczerwieni do poszukiwania odcisków chemicznych oraz techniki termicznej do oceny reakcji polimerów na ciepło. W ABS zaobserwowano oznaki łagodnych uszkodzeń: osłabienie niektórych grup chemicznych związanych z jedną z jego gumowych składowych, a także pojawienie się sygnałów związanych z utlenianiem i subtelną reorganizacją łańcuchów. Temperatura, przy której ABS przechodzi z fazy twardej i szklistej w bardziej gumowatą, spadła o około trzy stopnie Celsjusza, co wskazuje na drobne wewnętrzne rozkłady. W TPC zmiany widmowe były bardzo niewielkie, a jego zachowanie podczas topnienia i zmiękczania pozostało w zasadzie niezmienione, wskazując na lepszą odporność na promieniowanie.

Co to oznacza dla pacjentów

Do codziennego użytku klinicznego wyniki sugerują, że zarówno bolusy drukowane z ABS, jak i z TPC mogą przetrwać realistyczne dawki terapeutyczne i nadal pełnić swoją funkcję kształtowania wiązki promieniowania. Jednak TPC wydaje się bardziej odporny: opiera się zmianom chemicznym i mechanicznym, zachowuje elastyczność i utrzymuje bardziej stabilną powierzchnię. To połączenie może przekładać się na lepsze przyleganie do skóry, mniej szczelin powietrznych i bardziej wiarygodne podawanie dawki przez wiele sesji leczenia. Autorzy wnioskują, że choć istniejące bolusy z ABS pozostają użyteczne, TPC jest szczególnie obiecującym materiałem do przyszłego projektowania spersonalizowanych bolusów. Prace kontynuowane będą oceniać, jak te subtelne zmiany materiałowe wpływają rzeczywiście na kontakt ze skórą i rozkład dawki w realistycznych ustawieniach terapeutycznych.

Cytowanie: Jezierska, K., Borůvka, M., Ryvolová, M. et al. Structural and physicochemical stability of 3D-printed bolus materials used in radiotherapy. Sci Rep 16, 6611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36952-x

Słowa kluczowe: bolus do radioterapii, druk 3D, tworzywo ABS, kopoliestr termoplastyczny, wpływ promieniowania na materiały