凯巴·吉翁弗里多出生六周时，在一家餐厅突然停止呼吸，脸色发青。凯巴的父母迅速将他送到医院，在那里他们得知他的左支气管因先前未被发现的先天缺陷而塌陷。在接下来的几周里，危及生命的症状复发，次数增加，直到变成每天都会发生的事情。然而，医生和研究人员使用了一些最先进的生物工程技术，3-D 打印了一根合成管，以保持婴儿的气道畅通。凯巴于 2012 年 1 月接受了手术，此后未再发生气道塌陷。
密歇根大学的耳鼻喉专家（耳鼻喉科医生）格伦·格林说，气管，或称风管，本质上就像真空吸尘器软管一样构造，他帮助开发了该装置。人体气管由 20 个软骨环组成，这些软骨环通过肌肉和结缔组织连接，从喉结向下延伸到胸骨后方。然后它分支成两个称为支气管的管道，每个管道连接到一个肺。每次吸气时，肺部都会充满并扩张；同样，坚固而灵活的气道管也会变宽和变长。
在大多数情况下，孩子出生后，气管中的软骨会保持气道畅通。但大约在每 2,100 例活产中就有一例，由于某种原因，部分气道是松弛的并会塌陷，阻止外部空气到达一个或两个肺。 这种疾病被称为气道软化症，治疗方法包括在感冒和其他呼吸道感染期间进行密切监测，但有些人可能需要呼吸机来保持气道畅通，或者需要手术插入呼吸管直到危险过去。 持久性病例的手术治疗包括在气道内部使用支架来支撑气道——但这种方法会刺激气管，纽约市蒙特菲奥里医疗中心儿科耳鼻喉科主任、阿尔伯特·爱因斯坦医学院副教授约翰·本特说。 或者医生可能会取一块患者的肋骨，并在气管外部用作夹板。“但这并没有给[气道]正确的形状，”他说，也没有随着每次呼吸扩张和收缩的能力。
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然而，由于未知原因，有些病例非常严重。 包括凯巴在内的那些婴儿，即使在治疗后也难以呼吸。
在别无选择的情况下，凯巴的医生联系了格林和他的同事，他们正在研究一种可以提供帮助的新设备。 研究人员一直在寻找一种方法来帮助气道塌陷的婴儿。 他们设计了一种管子，可以包裹在松弛的气管或支气管部分周围，并保持气道畅通。 然而，每个人的气道都是独一无二的，没有万能的解决方案。 相反，格林和他的同事将使用称为三维打印的技术创建定制设计的设备。
3-D 打印机的工作原理类似于喷墨打印机，但它不是铺设墨水层，而是沉积结构材料。 打印头根据数字图案添加每一层，以创建 3-D 结构。 制造业中的 3-D 打印机已经为机器制造了原型和零件。 在研究环境中，生物工程师创造了人工耳朵，实验鼠已经接受了打印的脊椎间盘和骨骼。 为人类打印功能齐全的器官和组织带来了一些挑战。 例如，肾脏需要工作正常的血管和管道来收集尿液。
然而，气管问题非常适合 3-D 打印解决方案，因为该器官的脊状管状结构很简单。 在用小猪测试了他们的想法后，格林和他的同事确信打印的设备会起作用。 密歇根大学生物医学工程学教授斯科特·霍利斯特负责设计包裹在松弛气道外部的套筒。 套筒的结构使其能够在气道生长和发育时扩张，同时抵抗向内拉扯从而导致气道塌陷的痉挛。
该团队首先使用计算机断层扫描 (CT) 扫描来勾勒出凯巴的气道。 从这些图像中，他们雕刻了一个三维打印模具，该模具与凯巴塌陷的支气管具有相同的形状。 使用该模具，他们创建了将包裹在支气管周围的套筒或夹板。 这花了几次尝试，但研究人员最终能够创建一个完美贴合的模具。 下一步是将凯巴支气管的组织缝合到套筒的内部。 该团队需要获得美国食品和药物管理局的紧急使用批准才能植入该设备。 “当我们戴上夹板时，我们第一次看到他的肺在动，”格林说。 随着凯巴的成长，该设备应该会随之扩张。
管子本身是用一种称为聚己内酯的生物相容性塑料层层打印而成。 3-D 打印机将粉末状塑料加热至熔化，并可以糊状挤出。 在体内几年后，管子会溶解——它由与缝合线相同的材料制成——到那时，他的支气管应该已经长得足够强壮，可以正常运作。
凯巴的管子是首次将 3-D 打印设备植入患者体内以帮助组织重建。 研究团队于 5 月 22 日在《新英格兰医学杂志》上报告了该病例。
堪萨斯大学医学院耳鼻喉科副教授、密苏里州堪萨斯城儿童慈悲医院的医生罗伯特·韦瑟利说：“这是一种非常好的方法，利用技术来解决一个没有太多好解决方案的问题”，他没有参与这项研究。 他指出，这种方法与典型的组织工程方法不同，因为凯巴的支气管组织存在但没有功能； 在这里，3-D 设备增强了发育不全的组织。 在其他情况下，组织缺失并且需要从头开始重建——就像最近一个天生没有气管的年轻女孩的案例一样。 她的医生用塑料构建了一个可移植的气管，并在其中培养了孩子自己的干细胞。 然而，与凯巴不同，当她长大后，她将需要更大的风管。
使该技术更普及的关键下一步是临床试验，以及对患者进行更长时间的跟踪，以查看他们使用 3-D 打印部件的效果如何。
3-D 打印设备和身体部件的使用仍处于起步阶段。 格林说，软骨和骨骼将是首批广泛使用的解决方案，并补充说未来存在“巨大的潜力”。