3D打印全尺寸人脑模型及临床应用前景

| 3DScienceValley · 2023/05/10

以下文章来源于原创 Brain-X 学科交叉脑

目前，手术仍然是治疗脑部肿瘤以及多种原因造成脑外伤的有效手段之一。但由于人类大脑的复杂结构，极大提高了手术过程的难度。因此，根据患者病情而定制的术前大脑模型能够帮助外科医生精准分析病灶和提高手术熟练度，从而提升手术成功率。然而，基于已有的模具成型方法，难以根据患者的大脑，“打印”出高精准度的大脑模型。同时，当前的3D打印技术，也只能利用生物相容性材料“打印”等比缩小的人脑结构，无法实现全尺寸人脑模型的打印。

为解决上述问题，美国内华达大学雷诺分校 (University of Nevada, Reno) 机械工程系金翼飞教授课题组提出一种基于响应性屈服应力流体的“peeling-boiled-eggs (PBE)”方法，实现了全尺寸人脑模型的快速制造，以用于术前模拟训练（如图1所示）。该方法所使用的3D打印材料是由海藻酸钠(NaAlg)和明胶(gelatin)组成。光固化温敏性屈服应力流体由纳米粘土(nanoclay)，聚氧乙烯聚氧丙烯(Pluronic F127)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)组成。不同于传统的打印思路，PBE利用了响应性屈服应力流体可在打印过程中随时添加的优点，实现了短针头打印全尺寸人脑外部轮廓的过程。打印结束后，通过降低温度完成了明胶的交联反应和支撑浴的液化。这样，人脑外轮廓模型可以移入氯化钙(CaCl2)溶液实现海藻酸钠的二次交联。同时，剩余的支撑浴材料回收以备后续打印使用。完全固化后的人脑外轮廓模型被放置在紫外光下。紫外光可有效穿过人脑外轮廓，实现内部人脑模型的交联反应。通过37℃ 的柠檬酸钠(sodium citrate)溶液完全溶解外轮廓，最终得到了全尺寸的人脑模型。该方法可以极大缩短打印时间、节省材料、降低成本。同时，短针头的使用可以有效降低细胞挤出过程中的剪切应力，为未来带细胞的全尺寸人脑模型打印提供了可靠的方法。此外，与脑肿瘤结构一致的大脑组织补丁可在响应性屈服应力流体中快速打印。该补丁模拟了脑组织的力学性能，可在未来用做术后组织恢复的药物载体。

该成果已发表在Brain-X（交叉脑科学）上，标题为“3D Printing-Based Full-Scale Human Brain for Diverse Applications”。课题组博士研究生华伟健为该论文第一作者，金翼飞教授为通讯作者。

图1. a) 通过CT获取患者大脑的几何信息。b) 临床需求：1. 全尺寸人脑模型用于术前训练，2. 脑组织补丁用于术后修复。c）解决方法：1. 在响应性屈服应力流体支撑浴中直接打印脑组织模型，2. 基于逆向打印思维的PBE以实现全尺寸人脑模型的制造。