世界上第一個由3D打印機開發(fā)的高分辨率大腦模型

2024年3月22日，南極熊獲悉,，維也納工業(yè)大學(xué)和維也納醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出世界上第一個3D打印的“大腦模型”,。這些模型利用先進(jìn)的雙光子聚合（2PP）技術(shù)，能夠精確再現(xiàn)大腦的微觀結(jié)構(gòu),，包括神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)和微通道,。這些模型對于改進(jìn)dMRI（彌散磁共振成像）分析軟件具有重要意義，有助于更準(zhǔn)確地重建大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu),，從而為神經(jīng)退行性疾病的手術(shù)和研究規(guī)劃提供支持,。

△相關(guān)研究成果已在《先進(jìn)材料技術(shù)》雜志上發(fā)表，題目為“打印大腦： 用于核磁共振成像的微觀結(jié)構(gòu)地面真實模型”（傳送門）

技術(shù)研發(fā)背景

該研究團(tuán)隊證實,，這些3D打印的大腦模型可用于推動對阿爾茨海默氏癥,、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。

MRI是一種廣泛應(yīng)用的診斷成像技術(shù),，主要用于大腦檢查,。通過MRI，可以檢查大腦的結(jié)構(gòu)和功能,，而無需使用電離輻射,。在MRI的特殊變體——彌散加權(quán)成像MRI（dMRI）中，可以確定大腦中神經(jīng)纖維的方向,。然而,，在神經(jīng)纖維束的交叉點處，由于不同方向的神經(jīng)纖維重疊,，因此很難正確確定神經(jīng)纖維的方向,。

△可定制的模型支架效果圖。該組件由一個較大的球殼（粉色）組成,，可以將一系列較小的膠囊插入其中（綠色）,。該層可輕松定制，以改變膠囊的數(shù)量和位置（紅色/藍(lán)色）,，盡管只顯示了這些層中的一層，但可以根據(jù)需要插入更多層

作為核磁共振成像專家的維也納醫(yī)科大學(xué)研究人員,，與維也納工業(yè)大學(xué)的3D打印專家密切合作,，同時也與蘇黎世大學(xué)和漢堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的同事合作。2017年,，維也納工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種雙光子聚合打印機,，實現(xiàn)了升級打印。這項技術(shù)專利構(gòu)成了目前開發(fā)出的腦部模型的基礎(chǔ),。

從外觀上看,，這個模型比真實的大腦要小的多，形狀是一個立方體,。其內(nèi)部充滿微通道,，大小與單個顱神經(jīng)相當(dāng),，但這些通道的直徑比人的頭發(fā)絲還要細(xì)五倍。

△升級,、設(shè)計優(yōu)化和驗證

為了模仿大腦中精細(xì)的神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò),，第一作者M(jìn)ichael Woletz（維也納醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)物理和生物醫(yī)學(xué)工程中心）和Franziska Chalupa-Gantner（維也納工業(yè)大學(xué)3D打印和生物制造研究小組）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用了一種相當(dāng)不尋常的3D打印方法：雙光子聚合。這種高分辨率方法主要用于打印納米和微米級的微結(jié)構(gòu),，而不是打印立方毫米級的三維結(jié)構(gòu),。

該團(tuán)隊表示，之前也有報道使用3D打印方法創(chuàng)建大腦模型,，但他們大多采用低得多的打印分辨率,，導(dǎo)致通道直徑更大，更適合模仿肌肉微觀結(jié)構(gòu),。為此,，維也納研究人員利用各種技術(shù)提升了雙光子聚合打印工藝的速度，使其能夠制造出整體尺寸為幾毫米的結(jié)構(gòu),，同時保持高數(shù)量和高密度微通道,，適合模擬較大的軸突。

Michael Woletz把這種方法比作提高dMRI的診斷能力和手機攝像頭的工作方式,。：“我們看到,，手機相機在攝影方面取得的最大進(jìn)步，但不一定是新的,、更好的鏡頭,，而是改善拍攝圖像的軟件。所以,，情況與dMRI類似,。使用新開發(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)量并更準(zhǔn)確地重建大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu),。”

△模型設(shè)計和驗證

大腦模型訓(xùn)練分析軟件

因此,，對于“訓(xùn)練”dMRI分析軟件來說,，真實再現(xiàn)大腦中特征神經(jīng)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。使用3D打印使得創(chuàng)建可修改和定制的多樣化且復(fù)雜的設(shè)計成為可能,。因此,，大腦模型描繪了大腦中產(chǎn)生特別復(fù)雜信號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,，使用dMRI檢查大腦模型，并像在真實大腦中一樣分析測量數(shù)據(jù)。借助3D打印,，可以精確了解模型的設(shè)計,，并且可以檢查分析結(jié)果。維也納工業(yè)大學(xué)和維也納醫(yī)科大學(xué)能夠證明這是聯(lián)合研究工作的一部分,。

△雙光子聚合3D打印技術(shù)原理示意

盡管已經(jīng)進(jìn)行了概念驗證,，但該團(tuán)隊仍然面臨挑戰(zhàn)。目前最大的挑戰(zhàn)是擴(kuò)大該方法的規(guī)模,。Chalupa-Gantner解釋道：“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,，使用這種技術(shù)打印幾個立方厘米大小的立方體需要相應(yīng)較長的時間。因此,，我們不僅致力于開發(fā)更復(fù)雜的設(shè)計,，而且還進(jìn)一步優(yōu)化打印過程本身�,！�