世界上第一个由3D打印机开发的高分辨率大脑模型

2024年3月22日，南极熊获悉，维也纳工业大学和维也纳医科大学联合开发出世界上第一个3D打印的“大脑模型”。这些模型利用先进的双光子聚合（2PP）技术，能够精确再现大脑的微观结构，包括神经细胞网络和微通道。这些模型对于改进dMRI（弥散磁共振成像）分析软件具有重要意义，有助于更准确地重建大脑的神经结构，从而为神经退行性疾病的手术和研究规划提供支持。

△相关研究成果已在《先进材料技术》杂志上发表，题目为“打印大脑： 用于核磁共振成像的微观结构地面真实模型”（传送门）

技术研发背景

该研究团队证实，这些3D打印的大脑模型可用于推动对阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症等神经退行性疾病的研究。

MRI是一种广泛应用的诊断成像技术，主要用于大脑检查。通过MRI，可以检查大脑的结构和功能，而无需使用电离辐射。在MRI的特殊变体——弥散加权成像MRI（dMRI）中，可以确定大脑中神经纤维的方向。然而，在神经纤维束的交叉点处，由于不同方向的神经纤维重叠，因此很难正确确定神经纤维的方向。

△可定制的模型支架效果图。该组件由一个较大的球壳（粉色）组成，可以将一系列较小的胶囊插入其中（绿色）。该层可轻松定制，以改变胶囊的数量和位置（红色/蓝色），尽管只显示了这些层中的一层，但可以根据需要插入更多层

作为核磁共振成像专家的维也纳医科大学研究人员，与维也纳工业大学的3D打印专家密切合作，同时也与苏黎世大学和汉堡大学医学中心的同事合作。2017年，维也纳工业大学开发了一种双光子聚合打印机，实现了升级打印。这项技术专利构成了目前开发出的脑部模型的基础。

从外观上看，这个模型比真实的大脑要小的多，形状是一个立方体。其内部充满微通道，大小与单个颅神经相当，但这些通道的直径比人的头发丝还要细五倍。

△升级、设计优化和验证

为了模仿大脑中精细的神经细胞网络，第一作者Michael Woletz（维也纳医科大学医学物理和生物医学工程中心）和Franziska Chalupa-Gantner（维也纳工业大学3D打印和生物制造研究小组）领导的研究小组使用了一种相当不寻常的3D打印方法：双光子聚合。这种高分辨率方法主要用于打印纳米和微米级的微结构，而不是打印立方毫米级的三维结构。

该团队表示，之前也有报道使用3D打印方法创建大脑模型，但他们大多采用低得多的打印分辨率，导致通道直径更大，更适合模仿肌肉微观结构。为此，维也纳研究人员利用各种技术提升了双光子聚合打印工艺的速度，使其能够制造出整体尺寸为几毫米的结构，同时保持高数量和高密度微通道，适合模拟较大的轴突。

Michael Woletz把这种方法比作提高dMRI的诊断能力和手机摄像头的工作方式。：“我们看到，手机相机在摄影方面取得的最大进步，但不一定是新的、更好的镜头，而是改善拍摄图像的软件。所以，情况与dMRI类似。使用新开发的大脑模型，我们可以更精确地调整分析软件，从而提高测量数据的质量并更准确地重建大脑的神经结构。”

△模型设计和验证

大脑模型训练分析软件

因此，对于“训练”dMRI分析软件来说，真实再现大脑中特征神经结构至关重要。使用3D打印使得创建可修改和定制的多样化且复杂的设计成为可能。因此，大脑模型描绘了大脑中产生特别复杂信号并因此难以分析的区域，例如交叉的神经通路。

为了校准分析软件，使用dMRI检查大脑模型，并像在真实大脑中一样分析测量数据。借助3D打印，可以精确了解模型的设计，并且可以检查分析结果。维也纳工业大学和维也纳医科大学能够证明这是联合研究工作的一部分。

△双光子聚合3D打印技术原理示意

尽管已经进行了概念验证，但该团队仍然面临挑战。目前最大的挑战是扩大该方法的规模。Chalupa-Gantner解释道：“双光子聚合的高分辨率使得打印微米和纳米范围的细节成为可能，因此非常适合脑神经成像。然而，与此同时，使用这种技术打印几个立方厘米大小的立方体需要相应较长的时间。因此，我们不仅致力于开发更复杂的设计，而且还进一步优化打印过程本身。”