打印大脑

磁共振成像（MRI）已成为研究和临床环境中检查活体人脑不可或缺的工具。然而，磁共振成像的一个局限性是很难根据已知的黄金标准严格验证磁共振成像结果。现在，欧洲的一个科学家团队展示了一种突破性的解决方案--利用高精度三维打印技术制造生物仿真 "大脑模型"，作为验证弥散核磁共振成像（dMRI）等核磁共振成像技术的地面实况模型。他们的研究成果发表在《先进材料技术》（Advanced Materials Technologies）上，显示了磁共振成像作为大脑结构和连接性的非侵入性探针的巨大发展潜力。

验证神经成像结果至关重要，但也极具挑战性，因为使用多种方法对同一脑组织样本进行真正的 "金标准 "比较显然存在道德问题，其中一些方法还具有侵入性。为了解决这个问题，研究人员设计了被称为 "模型 "的简化人工测试物体来模拟组织特性。然而，传统的模型制造方法无法实现人体核磁共振扫描仪实验所需的小特征尺寸、微观结构严格控制和大样本尺寸的组合。

进入双光子聚合（2PP）3D 打印。2PP 被认为是微米级和纳米级增材制造领域的最先进技术，它通过使用超快激光脉冲从液态树脂中逐层雕刻出直径仅为几微米的固体物体，从而实现超高的分辨率。然而，使用传统 2PP 制造的结构尺寸仅限于几百微米。

维也纳医科大学和维也纳工业大学的研究团队通过多种策略克服了这一限制。首先，他们将光敏树脂直接安装在三维打印机的聚焦物镜上，并逐步降低物镜的高度，这样就能将结构建得更高。其次，他们在连续的 "平铺区域 "进行打印，将跨越更大 xy 区域的建筑块拼接在一起。通过将这些技术相结合，他们制作出的模型尺寸达到了毫米级--足以进行人体核磁共振成像--同时保留了小至12微米的微观特征，与白质中的轴突直径相当。

利用优化的 2PP 工艺，研究小组制作了两个概念验证模型。三明治 "模型包含三个交替方向层的平行通道，而 "晶片 "模型则在每个体素体积内的两个垂直方向上交替排列通道。两个模型均包含超过 14,000 个独立通道，以模拟人体白质密度，并为核磁共振成像提供足够的信号。

成像和分析表明，2PP 模型与核磁共振成像兼容，并提供了适当的各向异性扩散特征。在每个模型中，体素球棍建模都能正确识别预定的通道方向。当使用纤维跟踪算法进行处理时，结果与设计的平行和交叉排列一致。测量结果证实，这些材料引起的磁场畸变可以忽略不计。

除了展示 2PP 打印能力外，这些初始模型还为改进 dMRI 验证打开了大门。未来的工作可以结合弯曲或接吻纤维几何形状，以更好地接近人体白质的复杂性。然后，每个定制的模型都将成为核磁共振成像结果的基准。在 dMRI 模型中，这种对微观结构参数的严格控制是前所未有的。

据研究人员称，他们的成果为三维仿生支架的构建确立了新的标准。2PP制造技术的多功能性使得任何任意轴突束几何形状都能以接近真实神经组织的精度复制出来。通过进一步优化，甚至可以制造出更大和解剖更精确的大脑模型。

通过建立精确的 dMRI 地面真实模型，这种模型具有深远的意义。它们将有助于确定基于白质微观结构检测疾病状态或差异的灵敏度和特异性。重要的是，它们可以验证白质束成像图绘制等专业分析技术，而在没有受控测试案例的情况下，这种技术目前还很难实现。这将加强临床应用的论据，并推动更多可重复的神经科学研究。最终，新的大脑模型预示着使用核磁共振成像技术无创探测人脑连接性的切实改进。

通过创造性地应用复杂的三维打印技术，这项研究展示了一项重大技术成就，并为解决扩散核磁共振成像领域的关键验证需求提供了一个框架。通过制造精确的生物仿真组织模型，并对微观结构特性进行前所未有的控制，这项研究奠定了重要的基础，将推动这一强大神经成像方法的开发和应用。现在，他们已经证明了通过双光子聚合三维打印技术制作的高分辨率大脑模型的可行性和实用性，研究人员计划改进这种方法，以充分发挥其潜力。他们的工作体现了曾经被认为过于有限的技术是如何被巧妙地改造，以开辟新的科学可能性的。

参考文献

1. 迈克尔-沃莱茨、弗兰兹斯卡-查卢帕-甘特纳、贝内迪克特-哈格、亚历山大-里克、西亚沃什-穆罕默迪、斯特凡-宾德、斯特凡-鲍迪斯、亚历山大-奥维西安尼科夫、克里斯蒂安-温迪施伯格、佐尔坦-纳吉。实现打印大脑：用于核磁共振成像的微结构地面实况模型。先进材料技术》，2024 年；9 (3) DOI:10.1002/admt.202300176

单击 TAGS 查看相关文章 ：

3d 打印|大脑|诊断|神经学