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構，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”等比縮小的人腦結構，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，與腦腫瘤結構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構。

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.