放射治疗中使用的3D打印加衬材料的结构与物理化学稳定性

为什么辐射的形态很重要

当医生用放射治疗治疗癌症时，会将强大的X射线束指向皮下不远处的肿瘤。为了在保护健康组织的同时命中癌变区域，他们常在病人皮肤上放置一个定制的垫子，称为加衬（bolus）。这个垫子会微调最高剂量到达的位置。如今，许多医院在探索用3D打印来制作完全贴合的加衬，但一个关键问题仍然存在：这些打印加衬所用的塑料在经受治疗剂量的辐射后，是否能保持稳定？

为复杂体型定制的垫子

传统加衬常由蜡或凝胶手工塑形，制作速度慢，且难以在不同治疗次数间精确再现。利用3D打印，临床人员可根据医学影像设计与患者体表匹配的垫子，既提高舒适度又减少会扭曲剂量分布的微小空气间隙。这在头颈部等表面不规则、重要器官靠近皮肤的区域尤为重要。研究聚焦于两种常见的3D打印塑料：ABS，一种坚硬且普遍可得的塑料；以及TPC，一种更具柔性的材料，可能更易随体表贴合。

将3D打印塑料置于射线之下

为模拟真实癌症治疗中的情况，研究人员打印了小块ABS和TPC样品，并让它们接受总计70戈瑞（gray）的X射线剂量，接近一完整疗程的剂量。在照射前后，他们测量了尺寸、硬度、表面粗糙度、摩擦力以及内部结构和热学行为的改变。这些测试可判断加衬在多次使用中是否能保持形状、继续良好贴合皮肤并避免开裂或磨损。即便厚度或纹理发生几百分之一毫米的微小变化，也能改变浅表肿瘤的剂量分布。

两种塑料的表现如何

两种材料在照射后尺寸几乎保持不变，ABS仅表现出极微小但可测的厚度变化，而TPC在尺寸上更加稳定。两种塑料的表面都变得更光滑，这有利于改善皮肤接触并减少空气间隙。然而，ABS表现出更多表面退化迹象，其摩擦力骤降约70%，意味着在皮肤上更容易滑动。相比之下，TPC在摩擦和耐磨性方面变化甚微，表明其表面在反复使用下更可预测。两种材料的硬度都有轻微增加，这有助于保持形状，但也可能降低它们在复杂解剖部位上的服帖性。

材料内部发生了什么

为观察辐射在分子层面对塑料的影响，研究团队使用红外光谱查看化学指纹，并用热分析技术检查聚合物对热的响应。在ABS中，观察到轻微损伤的迹象：与其某一橡胶成分相关的特定化学基团减弱，同时出现与氧化和链轻微重排相关的信号。ABS由硬而玻璃态向更像橡胶态转变的温度下降了约3摄氏度，提示存在细微的内部降解。TPC的光谱变化则非常小，其熔融和软化行为基本保持不变，表明其对辐射具有更好的抵抗力。

这对患者意味着什么

对于日常临床应用，结果表明ABS和TPC这两种3D打印加衬都能在真实的治疗剂量下保持功能，继续对射线束形状进行调节。然而TPC显得更为稳健：它对化学和机械变化的抵抗力更强，保持柔性并拥有更稳定的表面。这种组合可能转化为更好的贴肤接触、更少的空气间隙以及在多次治疗中更可靠的剂量传递。作者得出结论：尽管现有的ABS加衬仍可使用，TPC是未来个性化加衬设计中特别有前景的候选材料。后续工作将测试这些细微材料变化在真实治疗环境中如何实际影响皮肤接触和辐射剂量。

引用: 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

关键词: 放射治疗加衬, 3D 打印, ABS 塑料, 热塑性共聚酯, 辐射对材料的影响