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乳腺癌是女性常见癌症，许多患者术后需佩戴乳房假体。研究人员开展了利用基于螺旋（gyroid）结构的材料制造乳房假体的研究。结果显示，该假体能模拟乳腺组织特性，提高舒适度和功能性。这为乳腺癌患者提供了更好的康复选择。
在现代医学领域，乳腺癌如同一场无情的风暴，席卷着无数女性的健康与生活。它是全球女性中最为常见的癌症类型，每年有超过两百万女性被诊断出患有乳腺癌，导致六十多万人失去生命。对于很多乳腺癌患者来说，乳房切除术是一种常见的治疗或预防手段。然而，手术虽然能切除病灶，却也给患者带来了一系列身心挑战。失去乳房不仅严重影响了患者的身体外观和自信，还会导致身体平衡和姿势的改变，给日常生活带来诸多不便。
传统的硅胶乳房假体在一定程度上可以帮助患者恢复外观，但却存在着诸多问题。其沉重的重量常常让患者肩部承受巨大压力，引发疼痛和疲劳；在炎热的夏天，硅胶假体还容易积聚热量，使患者感到不适。此外，传统假体在个性化定制方面也存在不足，难以满足不同患者的特殊需求。因此，开发一种更舒适、更符合人体生理特性的乳房假体迫在眉睫。
在这样的背景下，研究人员积极探索解决方案。他们开展了一项关于利用基于螺旋（gyroid）结构的材料制造乳房假体的研究。研究团队旨在通过模仿自然乳腺组织的密度、热导率和机械性能，设计出更逼真、功能更强大的乳房假体。经过不懈努力，研究取得了令人瞩目的成果。这种新型乳房假体不仅重量分布更合理，能有效减轻患者肩部负担，而且具有良好的透气性和散热性，大大提高了佩戴的舒适度。更为重要的是，它能够根据患者的具体需求进行个性化定制，更好地满足患者的生理和心理需求。这一研究成果对于改善乳腺癌患者的生活质量具有重要意义，为患者带来了新的希望。该研究成果发表在《Biomedical Engineering Advances》上。
为开展此项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是通过数值模拟，利用有限元模型对螺旋结构的热导率和机械性能进行分析；二是采用 3D 打印技术，使用生物相容性良好的 TissueMatrix（MED310C）材料打印乳房假体样本；三是进行实验测试，对打印样本进行压缩测试和热导率分析，以评估其性能。
下面来看具体的研究结果：
- 设计方面：详细研究了乳腺组织的组成，明确了脂肪组织和腺体组织的特性。基于此，利用螺旋结构来模拟脂肪组织，用 3D 打印的固体叶状结构模拟腺体组织。通过调整螺旋结构的几何参数，如波长（L）和控制体积的参数（C），精确控制其相对密度。根据乳腺组织中腺体组织和脂肪组织的比例及密度范围，计算出整体乳腺组织的目标密度范围为 0.55 - 0.71g/cm3，相应地，螺旋结构的相对密度应在 0.28 - 0.46 之间。
- 机械性能：深入研究螺旋结构在压缩载荷下的机械行为，分为弹性变形、弹塑性变形、平台期和失效四个阶段。由于假体通常在较小变形下使用，重点关注弹性阶段（应变在 10% 以内）。通过计算和分析，确定了螺旋结构在不同相对密度下的压缩模量范围。为使螺旋结构的压缩模量更接近目标值，在考虑相对密度和波长对压缩模量影响的基础上，最终选择相对密度为 0.28，并通过调整波长进一步优化机械性能。
- 热导率：鉴于热导率对患者舒适度的重要性，研究人员针对螺旋结构进行了热导率分析。通过对不同波长的螺旋结构进行模拟，发现随着波长增加，热导率先增大后减小。在相对密度为 0.28 时，波长在 3.0 - 5.0 之间的螺旋结构具有较高的热导率。综合考虑，选择波长为 5mm 的螺旋结构进行后续实验测试，以确保结构在满足热导率要求的同时，尽量接近目标压缩模量。
- 实验验证：研究人员制作了 3D 打印样本并进行实验测试。结果显示，含腺体细胞的样本（Type 2）相对密度为 0.444，与设计密度 0.453 偏差仅 1.97%。压缩测试中，Type 1 和 Type 2 样本的实验压缩模量分别为 17.71kPa 和 24.40kPa，模拟结果与实验结果基本相符，且分析预测值与实验值误差在 5 - 11% 之间。热导率分析表明，模拟脂肪组织的螺旋结构归一化热导率为 1.215，含脂肪和腺体组织的结构为 1.094，相比传统均匀结构，热导率分别提高了 21.5% 和 9.4%。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功引入了一种新颖的设计框架，利用基于螺旋结构的材料通过 3D 打印制造乳房假体，有效模拟了乳腺组织的多种特性。新型乳房假体的密度与自然乳腺组织相近，热导率相比传统假体有显著提升，提高了 9.4% - 21.5%。然而，该研究也存在一定局限性，如 3D 打印的螺旋复合材料刚度约为乳腺组织的五倍，在机械性能方面还有优化空间。未来的研究可以进一步探索替代打印材料，运用更先进的计算优化工具，平衡各方面性能，为乳房假体的个性化定制提供更完善的解决方案。这一研究成果为乳房假体的发展开辟了新方向，有望为广大乳腺癌患者带来更优质的生活体验，在医学领域具有重要的应用价值和研究意义。
