世界上第一個(gè)由3D打印機(jī)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(gè)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(duì)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(shí)模型”（傳送門）

技術(shù)研發(fā)背景

該研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，這些3D打印的大腦模型可用于推動(dòng)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,。

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(diǎn)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(gè)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(shí)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(jī)，實(shí)現(xiàn)了升級(jí)打印,。這項(xiàng)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(gè)模型比真實(shí)的大腦要小的多,，形狀是一個(gè)立方體,。其內(nèi)部充滿微通道，大小與單個(gè)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(jí),、設(shè)計(jì)優(yōu)化和驗(yàn)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(jí)的微結(jié)構(gòu),，而不是打印立方毫米級(jí)的三維結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊(duì)表示,，之前也有報(bào)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(shí)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(jī)攝像頭的工作方式,。：“我們看到，手機(jī)相機(jī)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(cè)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(jì)和驗(yàn)證

大腦模型訓(xùn)練分析軟件

因此,，對(duì)于“訓(xùn)練”dMRI分析軟件來說，真實(shí)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(jì)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(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，使用dMRI檢查大腦模型,，并像在真實(shí)大腦中一樣分析測(cè)量數(shù)據(jù),。借助3D打印,，可以精確了解模型的設(shè)計(jì)，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(yàn)證，但該團(tuán)隊(duì)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(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，我們不僅致力于開發(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,。”