硅胶3D 打印大脑血管模型可行

据Duraivel S 2023年3月24日[Science，2023，379（6638）：1248-1252.]报道，美国佛罗里达大学的研究人员开发了一种新型硅胶三维（3D）打印技术——超低界面张力增材制造（additive manufacturing at ultralow interfacial tension，AMULIT），可以用几种市售硅胶配方制成精确、准确、坚固和功能性的结构。 为了达到这一性能水平，研究团队开发了一种由硅油乳液制成的支撑材料。 这种材料对硅基墨水的界面张力可以忽略不计，消除了经常导致硅胶3D 打印失败的界面张力。

许多神经外科医生在进入手术室之前都会根据他们对患者大脑的了解来练习每一项手术。 但目前神经外科医生用于训练的大脑模型并不能很好地模拟大脑中真正的血管，这些模型无法提供真实的触觉反馈，缺乏微小但重要的结构细节，而且通常不包含决定每次手术如何进行的整体解剖组分。 在手术前对患者的大脑进行逼真且个性化的模拟，可以减少医生在真实手术过程中的错误。

3D 打印技术可以制造出具有外科医生所需的柔软手感和结构精度的复制品。 3D 打印过程中，打印设备铺设一层又一层熔化的塑料，这些塑料固化后形成一个自我支撑的结构。 然而，许多柔性材料不能像3D 打印机通常使用的塑料丝那样融化和重新固化。 用户只能使用硅基软材料一次性打印——打印时材料必须处于液态，在打印后不可逆固化。

如何使用液体材料打印一个复杂的3D 形状，而且最终保持结构的精确性，不会出现一些坑坑洼洼的变形呢？ 在这项研究中，研究团队决定通过开发一种由硅油（silicone oil，在室温下保持液体状态的线型聚硅氧烷产品）制成的支撑材料来解决界面张力的问题。 大多数硅胶墨水在化学上与硅胶支撑材料相似，因此极大地降低了界面张力，但也有足够的差异，可以在3D 打印时放在一起保持分离。 研究团队创造了许多候选支撑材料，但发现最好的方法是制造硅油和水的致密乳液，它是由连续的硅油中填充的微水滴制成，即AMULIT。 研究人员对已经广泛使用的嵌入式3D 打印技术进行了改进，使用这种技术，打印“墨水”被沉积到第二个支撑材料的浴槽中，该材料被设计成在打印喷嘴周围流动，并在喷嘴离开后将“墨水”困在原地。 这使得用户可以通过将液体困在3D 空间中，直到打印结构固化，从而用液体创建复杂的3D 形状。

使用AMULIT 支持介质，能够以高分辨率打印现成的硅胶，创建直径小至8 μm 的微小结构特征，而且打印的结构与传统的模制结构一样具有弹性和耐用性。 这些功能能够基于3D 扫描数据来3D 打印患者大脑血管的精确模型，还能基于解剖学数据3D 打印一个功能性心脏瓣膜模型。 这种硅胶3D 打印的高分辨率患者大脑血管模型，能够帮助神经外科医生在手术前进行更真实的模拟训练，从而改善治疗效果。

AMULIT 技术克服了嵌入式3D 打印硅胶结构变形及支撑介质变形这些挑战，让先进的硅胶基技术在医疗卫生领域的发展应用成为可能，例如打印用于治疗的个性化植入物，以及为患者定植生理结构模型。