放射治疗三维打印补偿物（Bolus）材料的物理与剂量学特性表征：从刚性塑料到柔性热塑性聚氨酯（TPU）

《Physica Medica》：Physical and dosimetric characterization of 3D-printed bolus materials for radiotherapy: from rigid plastics to flexible TPU

　　

目的：本研究评估了所选柔性三维（3D）打印材料作为传统组织等效凝胶补偿物（Bolus）及已明确表征的刚性聚乳酸（PLA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）补偿物替代品的剂量学适用性，分析了材料的物理、影像及剂量学特征。材料与方法：使用两种柔性热塑性聚氨酯（TPU 93A和TPU 40D）及两种刚性热塑性塑料（PLA和ABS）制作3D打印补偿物，测试不同填充密度（Infill density）和厚度。评估打印精度、样品均匀性、亨氏单位（HU）值、打印时间及成本。测量6 MVflattened（FF）及flattening-filter-free（FFF）光子束的百分比深度剂量（PDD）曲线，并在材料间及Eclipse治疗计划系统（TPS）计算值间进行比较。所有特征亦与凝胶补偿物对比，分析放射学厚度（Radiological thickness）与表面剂量及最大剂量深度（dmax）的相关性。结果：60%填充/10 mm厚度的两类TPU基补偿物在FF和FFF光束下表面剂量均达≥95%，与10 mm厚凝胶补偿物表面剂量接近。放射学厚度与表面剂量呈强相关（FF下R2=0.860，FFF下R2=0.844），且与材料类型无关。计算与实测最大剂量深度差异小于1 mm。打印重现性高，>99.5%剂量点满足≤1%差异标准。结论：柔性3D打印补偿物具备临床可接受的剂量学性质，可作为凝胶补偿物的替代品。放射学厚度被确定为剂量修饰的稳健预测因子，为补偿物设计提供实用参数。

论文解读：《Physical and dosimetric characterization of 3D-printed bolus materials for radiotherapy: from rigid plastics to flexible TPU》发表于《Physica Medica》

研究背景与意义

兆伏级光子束放疗（External Beam Radiotherapy, EBRT）因剂量建成区（Dose Build-up Effect）导致浅表病变（如术后乳腺癌胸壁、皮肤浸润肿瘤）无法获得足够治疗剂量。补偿物（Bolus）作为组织等效材料用于前移剂量建成区至体表，但商用凝胶或蜡模补偿物常因无法贴合不规则解剖曲面而产生空气间隙（Air Gap），影响表面剂量分布；虚拟补偿物则存在几何不可实现风险。现有成熟的3D打印刚性材料聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）因硬度大贴合性差。因此研究人员开展此项研究，旨在系统评估柔性热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）与传统材料及凝胶补偿物在物理、影像及6 MV光子束剂量学上的表现，验证柔性3D打印Bolus的临床替代潜力。

主要技术方法概要

研究人员选用PLA（密度1.25 g/cm3）、ABS（1.05 g/cm3）、TPU 93A（Shore A 93，1.21 g/cm3）及TPU 40D（Shore D 40，1.16 g/cm3），采用熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）技术打印10×10 cm2长方体样品（三角填充图案，层高0.2 mm，壳数3），测试不同填充率（30%–100%）与物理厚度（5 mm、10 mm）。通过CT扫描获取亨氏单位（Hounsfield Unit, HU）值及放射学厚度（d_rad）；使用Markus平行板电离室测量6 MV FF（Flattened）与FFF（Flattening Filter Free）光束下的百分比深度剂量（Percentage Depth Dose, PDD）曲线；以EBT4胶片结合FilmQA Pro分析剂量均匀性（变异系数Coefficient of Variation, CV）及打印重现性；在Eclipse TPS中用解析各向异性算法（Analytical Anisotropic Algorithm, AAA）计算并与实测比对，线性回归分析d_rad与表面剂量（D₀）相关性。

研究结果

3.1. 3D打印参数与样品制备

研究人员发现PLA打印最快（4 h 26 min–6 h 08 min），TPU最慢（最长17 h 36 min）且成本约为PLA的2.6–2.7倍。TPU 100%填充5 mm厚样品HU值（TPU 93A: 53 HU；TPU 40D: 28 HU）最接近凝胶补偿物参考值（-27 HU）；PLA与ABS因密度差异HU值偏低（-242至-521 HU）。外壳对HU值影响可忽略（<15.4 HU）。

3.2. 3D打印的重现性与均匀性

重复打印的同规格TPU补偿物剂量分布局部差异<1%的点占比>99.5%。固体水模体剂量均匀性CV=1.3%；TPU样品CV为1.2%–1.6%，100%填充略优，表明内部填充结构未造成显著剂量非均匀性。

3.3. 3D打印补偿物的剂量学评估

放射学厚度d_rad与表面剂量D₀呈强线性正相关（FF: R²=0.860；FFF: R²=0.844），优于物理厚度单独预测。10 mm厚、60%填充的TPU 93A与TPU 40D d_rad=8 mm，6 MV FF下D₀达95.0%，6 MV FFF下分别达96.9%与97.1%，与10 mm凝胶补偿物（d_rad=10 mm，FF下D₀=97.9%）相当。PLA 60%填充10 mm（d_rad=8 mm）FF下D₀=93.8%。TPS计算的d_max与实测差≤1 mm。相同d_rad下柔性TPU比PLA使d_max更靠近体表且表面剂量更高。

讨论与结论翻译

传统凝胶补偿物因剂量学性能被视为临床金标准，但3D打印技术可实现个性化、柔性及良好解剖贴合。本研究证实所研柔性TPU材料制得的3D打印补偿物性质可比拟凝胶补偿物。多种材料/填充/厚度组合均可提供≥85.9%表面剂量（相当于5 mm凝胶补偿物效果）。关键发现是放射学厚度（而非物理厚度或材质）与表面剂量及d_95%深度强相关，可作为Bolus性能稳健预测因子指导临床设计。现代FDM打印机具高重现性（>99.5%点通过1%标准），TPU下剂量均匀性与固体水相当。尽管TPU打印耗时较长且对设备要求高于PLA/ABS，但在解剖复杂区更具贴合优势。

结论：研究人员发现由TPU 93A与TPU 40D制成、60%填充及10 mm物理厚度的柔性补偿物在6 MV FF与FFF光子束下表面剂量均≥95%，密切模拟10 mm参考凝胶补偿物剂量学表现。放射学厚度与补偿物下剂量呈强相关（R²≈0.860），是预测剂量修饰效应的有效参数。打印过程具高重现性，证实该工艺稳健可靠。结果表明3D打印补偿物具备作为个体化传统凝胶补偿物替代品的临床潜力，兼具个性化与材料柔性优势；但TPU材料相较PLA/ABS技术门槛较高，尚需进一步临床验证及建立标准化质量保证（Quality Assurance, QA）流程以确保安全实施。