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

來(lái)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(huì)根據(jù)他們對(duì)病人大腦的了解來(lái)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(wú)法提供真實(shí)的觸覺(jué)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(duì)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(guò)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(guò)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(huì)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(kāi)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(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(kāi)發(fā)了一種由硅油乳液制成的支撐材料,。這種材料對(duì)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,。

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(duì)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(duì)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(duì)對(duì)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(dòng),，并在噴嘴離開(kāi)后將“墨水”困在原地,。這使得用戶可以通過(guò)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(huì)平鋪開(kāi),。這種界面張力也會(huì)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(shí)破裂成液滴。之前已有大量研究制造無(wú)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(duì)決定通過(guò)開(kāi)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(lái)解決界面張力的問(wèn)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,，研究團(tuán)隊(duì)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(lái)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。

AMULIT技術(shù)打印腦動(dòng)脈瘤模型（上圖）和心臟主動(dòng)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(guò)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(lái)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(gè)預(yù)定的尺寸,，形狀和設(shè)計(jì)。從模具中去除精密的硅膠結(jié)構(gòu)而不損壞也是一個(gè)障礙,，在制造高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí),，會(huì)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(gè)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