3D打印全尺寸人腦模型及臨床應用前景

來源：學科交叉腦

目前，手術仍然是治療腦部腫瘤以及多種原因造成腦外傷的有效手段之一。但由于人類大腦的復雜結(jié)構(gòu)，極大提高了手術過程的難度。因此，根據(jù)患者病情而定制的術前大腦模型能夠幫助外科醫(yī)生精準分析病灶和提高手術熟練度，從而提升手術成功率。然而，基于已有的模具成型方法，難以根據(jù)患者的大腦，“打印”出高精準度的大腦模型。同時，當前的3D打印技術，也只能利用生物相容性材料“打印”等比縮小的人腦結(jié)構(gòu)，無法實現(xiàn)全尺寸人腦模型的打印。

為解決上述問題，美國內(nèi)華達大學雷諾分校 (University of Nevada, Reno) 機械工程系金翼飛教授課題組提出一種基于響應性屈服應力流體的“peeling-boiled-eggs (PBE)”方法，實現(xiàn)了全尺寸人腦模型的快速制造，以用于術前模擬訓練（如圖1所示）。該方法所使用的3D打印材料是由海藻酸鈉(NaAlg)和明膠(gelatin)組成。光固化溫敏性屈服應力流體由納米粘土(nanoclay)，聚氧乙烯聚氧丙烯(Pluronic F127)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)組成。不同于傳統(tǒng)的打印思路，PBE利用了響應性屈服應力流體可在打印過程中隨時添加的優(yōu)點，實現(xiàn)了短針頭打印全尺寸人腦外部輪廓的過程。打印結(jié)束后，通過降低溫度完成了明膠的交聯(lián)反應和支撐浴的液化。這樣，人腦外輪廓模型可以移入氯化鈣(CaCl2)溶液實現(xiàn)海藻酸鈉的二次交聯(lián)。同時，剩余的支撐浴材料回收以備后續(xù)打印使用。完全固化后的人腦外輪廓模型被放置在紫外光下。紫外光可有效穿過人腦外輪廓，實現(xiàn)內(nèi)部人腦模型的交聯(lián)反應。通過37℃ 的檸檬酸鈉(sodium citrate)溶液完全溶解外輪廓，最終得到了全尺寸的人腦模型。該方法可以極大縮短打印時間、節(jié)省材料、降低成本。同時，短針頭的使用可以有效降低細胞擠出過程中的剪切應力，為未來帶細胞的全尺寸人腦模型打印提供了可靠的方法。此外，與腦腫瘤結(jié)構(gòu)一致的大腦組織補丁可在響應性屈服應力流體中快速打印。該補丁模擬了腦組織的力學性能，可在未來用做術后組織恢復的藥物載體。

該成果已發(fā)表在Brain-X（交叉腦科學）上，標題為“3D Printing-Based Full-Scale Human Brain for Diverse Applications”。課題組博士研究生華偉健為該論文第一作者，金翼飛教授為通訊作者。

圖1. a) 通過CT獲取患者大腦的幾何信息。b) 臨床需求：1. 全尺寸人腦模型用于術前訓練，2. 腦組織補丁用于術后修復。c）解決方法：1. 在響應性屈服應力流體支撐浴中直接打印腦組織模型，2. 基于逆向打印思維的PBE以實現(xiàn)全尺寸人腦模型的制造。

圖2. PBE機理示意圖。

圖3. 打印的全尺寸人腦模型及補丁結(jié)構(gòu)。

詳情請關注官網(wǎng)：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/brx2.5

Weijian Hua, Cheng Zhang, Lily Raymond, Kellen Mitchell, Lai Wen, Ying Yang, Danyang Zhao, Shu Liu, Yifei Jin. 3D printing-based full-scale human brain for diverse applications. Brain-X 2023, e5. https://doi.org/10.1002/brx2.5.