硅膠3D 打印大腦血管模型可行

據(jù)Duraivel S 2023年3月24日[Science，2023，379（6638）：1248-1252.]報(bào)道，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新型硅膠三維（3D）打印技術(shù)——超低界面張力增材制造（additive manufacturing at ultralow interfacial tension，AMULIT），可以用幾種市售硅膠配方制成精確、準(zhǔn)確、堅(jiān)固和功能性的結(jié)構(gòu)。 為了達(dá)到這一性能水平，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種由硅油乳液制成的支撐材料。 這種材料對硅基墨水的界面張力可以忽略不計(jì)，消除了經(jīng)常導(dǎo)致硅膠3D 打印失敗的界面張力。

許多神經(jīng)外科醫(yī)生在進(jìn)入手術(shù)室之前都會根據(jù)他們對患者大腦的了解來練習(xí)每一項(xiàng)手術(shù)。 但目前神經(jīng)外科醫(yī)生用于訓(xùn)練的大腦模型并不能很好地模擬大腦中真正的血管，這些模型無法提供真實(shí)的觸覺反饋，缺乏微小但重要的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，而且通常不包含決定每次手術(shù)如何進(jìn)行的整體解剖組分。 在手術(shù)前對患者的大腦進(jìn)行逼真且個(gè)性化的模擬，可以減少醫(yī)生在真實(shí)手術(shù)過程中的錯(cuò)誤。

3D 打印技術(shù)可以制造出具有外科醫(yī)生所需的柔軟手感和結(jié)構(gòu)精度的復(fù)制品。 3D 打印過程中，打印設(shè)備鋪設(shè)一層又一層熔化的塑料，這些塑料固化后形成一個(gè)自我支撐的結(jié)構(gòu)。 然而，許多柔性材料不能像3D 打印機(jī)通常使用的塑料絲那樣融化和重新固化。 用戶只能使用硅基軟材料一次性打印——打印時(shí)材料必須處于液態(tài)，在打印后不可逆固化。

如何使用液體材料打印一個(gè)復(fù)雜的3D 形狀，而且最終保持結(jié)構(gòu)的精確性，不會出現(xiàn)一些坑坑洼洼的變形呢？ 在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)決定通過開發(fā)一種由硅油（silicone oil，在室溫下保持液體狀態(tài)的線型聚硅氧烷產(chǎn)品）制成的支撐材料來解決界面張力的問題。 大多數(shù)硅膠墨水在化學(xué)上與硅膠支撐材料相似，因此極大地降低了界面張力，但也有足夠的差異，可以在3D 打印時(shí)放在一起保持分離。 研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了許多候選支撐材料，但發(fā)現(xiàn)最好的方法是制造硅油和水的致密乳液，它是由連續(xù)的硅油中填充的微水滴制成，即AMULIT。 研究人員對已經(jīng)廣泛使用的嵌入式3D 打印技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，使用這種技術(shù)，打印“墨水”被沉積到第二個(gè)支撐材料的浴槽中，該材料被設(shè)計(jì)成在打印噴嘴周圍流動，并在噴嘴離開后將“墨水”困在原地。 這使得用戶可以通過將液體困在3D 空間中，直到打印結(jié)構(gòu)固化，從而用液體創(chuàng)建復(fù)雜的3D 形狀。

使用AMULIT 支持介質(zhì)，能夠以高分辨率打印現(xiàn)成的硅膠，創(chuàng)建直徑小至8 μm 的微小結(jié)構(gòu)特征，而且打印的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的模制結(jié)構(gòu)一樣具有彈性和耐用性。 這些功能能夠基于3D 掃描數(shù)據(jù)來3D 打印患者大腦血管的精確模型，還能基于解剖學(xué)數(shù)據(jù)3D 打印一個(gè)功能性心臟瓣膜模型。 這種硅膠3D 打印的高分辨率患者大腦血管模型，能夠幫助神經(jīng)外科醫(yī)生在手術(shù)前進(jìn)行更真實(shí)的模擬訓(xùn)練，從而改善治療效果。

AMULIT 技術(shù)克服了嵌入式3D 打印硅膠結(jié)構(gòu)變形及支撐介質(zhì)變形這些挑戰(zhàn)，讓先進(jìn)的硅膠基技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用成為可能，例如打印用于治療的個(gè)性化植入物，以及為患者定植生理結(jié)構(gòu)模型。