研究人員3D打印高分辨率“大腦模型”，可用于治療神經(jīng)退行性疾病

2024年3月23日，南極熊獲悉，來自維也納醫(yī)科大學(xué)(MedUni Vienna)與維也納工業(yè)大學(xué)的研究人員聯(lián)合開發(fā)出了世界上第一個(gè) 3D 打印的“大腦模型”，該模型模擬了腦纖維的結(jié)構(gòu)，并可以使用磁共振成像的特殊變體（dMRI）進(jìn)行成像。科學(xué)家團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已證明，這些大腦模型可用于推進(jìn)對(duì)阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥和多發(fā)性硬化癥等神經(jīng)退行性疾病的研究。

該研究以題為“Toward Printing the Brain: A MicrostructuralGround Truth Phantom for MRI”的論文被發(fā)表在《先進(jìn)材料技術(shù)》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202300176

磁共振成像（MRI）可用于檢查大腦的結(jié)構(gòu)和功能，而無需使用電離輻射。在 MRI 的一種特殊變體——彌散加權(quán)MRI (dMRI) 中，還可以確定大腦中神經(jīng)纖維的方向。然而，在神經(jīng)纖維束的交叉點(diǎn)處，很難正確確定神經(jīng)纖維的方向，因?yàn)檫@是不同方向的神經(jīng)纖維重疊的地方。為了進(jìn)一步改進(jìn)工藝和測試分析評(píng)估方法，國際團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種所謂的“大腦模型”，它是采用高分辨率雙光子聚合（2PP）3D打印工藝生產(chǎn)的。

△2PP3D打印原理

立方體內(nèi)的微通道

維也納醫(yī)科大學(xué)的 MRI 專家和維也納工業(yè)大學(xué)的 3D 打印專家與蘇黎世大學(xué)和漢堡-埃彭多夫大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的同事密切合作。早在 2017 年，維也納工業(yè)大學(xué)就開發(fā)出了一款雙光子聚合（2PP）打印機(jī)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模打印。在此過程中，還與維也納醫(yī)科大學(xué)和蘇黎世大學(xué)一起開展了將大腦模型作為用例的工作。由此產(chǎn)生的專利構(gòu)成了大腦模型的基礎(chǔ)，該模型現(xiàn)已開發(fā)出來，并由維也納工業(yè)大學(xué)的研究和轉(zhuǎn)移支持團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)監(jiān)督。

從視覺上看，這個(gè)模型與真實(shí)的大腦沒有太大關(guān)系。它要小得多，呈立方體形狀。它的內(nèi)部有非常細(xì)小的充滿水的微通道，其大小相當(dāng)于單個(gè)腦神經(jīng)。這些通道的直徑比人類頭發(fā)細(xì)五倍。為了模擬大腦中神經(jīng)細(xì)胞的精細(xì)網(wǎng)絡(luò)，由維也納醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)物理與生物醫(yī)學(xué)工程中心的首席作者邁克爾·沃萊茨（Michael Woletz）和維也納理工大學(xué)3D打印與生物制造研究小組的弗朗茨卡·查盧帕-甘特納（FranziskaChalupa-Gantner）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)使用了雙光子聚合打印技術(shù)。

△首批獲得全球關(guān)注的 2PP 實(shí)驗(yàn)之一。圖片來源：維也納大學(xué)

2PP高分辨率打印方法主要用于打印納米和微米范圍內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)，而不是用于打印立方毫米范圍內(nèi)的三維結(jié)構(gòu)。為了創(chuàng)建適合 dMRI 尺寸的模型，維也納工業(yè)大學(xué)的研究人員一直致力于擴(kuò)大 3D 打印過程，并能夠打印具有高分辨率細(xì)節(jié)的較大物體。高規(guī)模 3D 打印為研究人員提供了非常好的模型，當(dāng)在 dMRI 下觀察時(shí)，可以分配各種神經(jīng)結(jié)構(gòu)。

Michael Woletz 說道：“我們看到手機(jī)攝像頭攝影的最大進(jìn)步不一定是新的、更好的鏡頭，而是改善拍攝圖像的軟件。情況與 dMRI 類似：利用新開發(fā)的大腦模型，我們可以更精確地調(diào)整分析軟件，從而提高測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，更準(zhǔn)確地重建大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)。”

根據(jù)大腦模型訓(xùn)練的分析軟件

因此，大腦中特征神經(jīng)結(jié)構(gòu)的真實(shí)再現(xiàn)對(duì)于“訓(xùn)練”dMRI 分析軟件非常重要。3D打印的使用使得創(chuàng)建可以修改和定制的多樣化和復(fù)雜的設(shè)計(jì)成為可能，并且大腦模型描繪了大腦中產(chǎn)生特別復(fù)雜信號(hào)并因此難以分析的區(qū)域，例如交叉的神經(jīng)通路。

為了校準(zhǔn)分析軟件，需要使用 dMRI 檢查大腦模型，并像在真實(shí)大腦中一樣對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。借助3D打印，可以精確了解模型的設(shè)計(jì)并確認(rèn)分析結(jié)果。開發(fā)的模型可用于改進(jìn) dMRI。

目前團(tuán)隊(duì)面臨的最大挑戰(zhàn)是擴(kuò)大該方法的規(guī)模。Chalupa-Gantner 說：“雙光子聚合的高分辨率使得打印微米和納米范圍的細(xì)節(jié)成為可能，因此非常適合腦神經(jīng)成像。然而，與此同時(shí)，使用這種技術(shù)打印幾個(gè)立方厘米大小的立方體需要相應(yīng)較長的時(shí)間。因此，我們的目標(biāo)不僅是開發(fā)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且還進(jìn)一步優(yōu)化打印過程本身。”