Science：硅膠3D打印大腦血管，可用于改善神經(jīng)外科手術(shù)

來源：生物世界

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)他們對病人大腦的了解來練習(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)行逼真且個性化的模擬，可以減少醫(yī)生在真實(shí)手術(shù)過程中的錯誤。

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？

2023年3月23日，佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員在 Science 期刊發(fā)表了題為：A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing 的研究論文。

該研究開發(fā)了一種新型硅膠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，消除了經(jīng)常導(dǎo)致硅膠3D打印失敗的界面張力。

這種方法具有通用性，可使用已有的硅膠配方打印復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特征，分辨率高達(dá)8微米。使用這種新技術(shù)，研究團(tuán)隊3D打印了高分辨率的患者大腦血管的精確模型，以及功能性心臟瓣膜模型。

研究團(tuán)隊表示，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。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊對已經(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”被沉積到第二個支撐材料的浴槽中，該材料被設(shè)計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三維空間中，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。

嵌入式3D打印已經(jīng)有效地構(gòu)建了各種軟材料，如水凝膠、微粒甚至活細(xì)胞。然而，用硅膠打印仍然具有挑戰(zhàn)性。液態(tài)硅是油基的，而大多數(shù)支撐材料是水基的。油和水之間具有很高的界面張力，這也是為什么油滴在水中呈圓形，而不會平鋪開。這種界面張力也會導(dǎo)致3D打印的硅膠結(jié)構(gòu)變形，即使在支撐介質(zhì)中也是如此。

更糟糕的是，這種界面張力驅(qū)使小直徑的硅膠在打印時破裂成液滴。之前已有大量研究制造無需支撐就可以打印的硅膠材料，但這些硅膠材料的柔軟程度和彈性在打印中被嚴(yán)重限制。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊決定通過開發(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打印時放在一起保持分離。研究團(tuán)隊創(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，研究團(tuán)隊講這種方法稱為——超低界面張力增材制造（Additive Manufacturing at Ultralow Interfacial Tension，AMULIT）。

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微米的微小結(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。這些功能使我們能夠基于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打印一個功能性心臟瓣膜模型。

AMULIT技術(shù)打印腦動脈瘤模型（上圖）和心臟主動脈瓣模型（下圖）

AMULIT技術(shù)在支撐材料中打印肺支氣管模型

在3D打印中，高質(zhì)量的硅膠打印是最不可行和最受限制的領(lǐng)域之一。然而，硅基元件是許多先進(jìn)技術(shù)和日常消費(fèi)產(chǎn)品的重要組成部分，從炊具和玩具等日常消費(fèi)品，到電子、航空航天和醫(yī)療保健行業(yè)等先進(jìn)技術(shù)。有機(jī)硅產(chǎn)品通常是通過將液態(tài)有機(jī)硅澆注或注射到模具中，并在凝固后去除鑄件來制造的。制造高精度模具的成本和難度，導(dǎo)致產(chǎn)品只有幾個預(yù)定的尺寸，形狀和設(shè)計。從模具中去除精密的硅膠結(jié)構(gòu)而不損壞也是一個障礙，在制造高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，會增加制造的缺陷。

這項(xiàng)最新研究有望克服這些挑戰(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性化植入物，以及為患者定植生理結(jié)構(gòu)模型。

論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441