研究人员3D打印高分辨率“大脑模型”，可用于治疗神经退行性疾病

2024年3月23日，南极熊获悉，来自维也纳医科大学(MedUni Vienna)与维也纳工业大学的研究人员联合开发出了世界上第一个 3D 打印的“大脑模型”，该模型模拟了脑纤维的结构，并可以使用磁共振成像的特殊变体（dMRI）进行成像。科学家团队现已证明，这些大脑模型可用于推进对阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症等神经退行性疾病的研究。

该研究以题为“Toward Printing the Brain: A MicrostructuralGround Truth Phantom for MRI”的论文被发表在《先进材料技术》杂志上。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202300176

磁共振成像（MRI）可用于检查大脑的结构和功能，而无需使用电离辐射。在 MRI 的一种特殊变体——弥散加权MRI (dMRI) 中，还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，很难正确确定神经纤维的方向，因为这是不同方向的神经纤维重叠的地方。为了进一步改进工艺和测试分析评估方法，国际团队开发了一种所谓的“大脑模型”，它是采用高分辨率双光子聚合（2PP）3D打印工艺生产的。

△2PP3D打印原理

立方体内的微通道

维也纳医科大学的 MRI 专家和维也纳工业大学的 3D 打印专家与苏黎世大学和汉堡-埃彭多夫大学医学中心的同事密切合作。早在 2017 年，维也纳工业大学就开发出了一款双光子聚合（2PP）打印机，可实现大规模打印。在此过程中，还与维也纳医科大学和苏黎世大学一起开展了将大脑模型作为用例的工作。由此产生的专利构成了大脑模型的基础，该模型现已开发出来，并由维也纳工业大学的研究和转移支持团队负责监督。

从视觉上看，这个模型与真实的大脑没有太大关系。它要小得多，呈立方体形状。它的内部有非常细小的充满水的微通道，其大小相当于单个脑神经。这些通道的直径比人类头发细五倍。为了模拟大脑中神经细胞的精细网络，由维也纳医科大学医学物理与生物医学工程中心的首席作者迈克尔·沃莱茨（Michael Woletz）和维也纳理工大学3D打印与生物制造研究小组的弗朗茨卡·查卢帕-甘特纳（FranziskaChalupa-Gantner）领导的研究团队使用了双光子聚合打印技术。

△首批获得全球关注的 2PP 实验之一。图片来源：维也纳大学

2PP高分辨率打印方法主要用于打印纳米和微米范围内的微观结构，而不是用于打印立方毫米范围内的三维结构。为了创建适合 dMRI 尺寸的模型，维也纳工业大学的研究人员一直致力于扩大 3D 打印过程，并能够打印具有高分辨率细节的较大物体。高规模 3D 打印为研究人员提供了非常好的模型，当在 dMRI 下观察时，可以分配各种神经结构。

Michael Woletz 说道：“我们看到手机摄像头摄影的最大进步不一定是新的、更好的镜头，而是改善拍摄图像的软件。情况与 dMRI 类似：利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，更准确地重建大脑的神经结构。”

根据大脑模型训练的分析软件

因此，大脑中特征神经结构的真实再现对于“训练”dMRI 分析软件非常重要。3D打印的使用使得创建可以修改和定制的多样化和复杂的设计成为可能，并且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，需要使用 dMRI 检查大脑模型，并像在真实大脑中一样对测量数据进行分析。借助3D打印，可以精确了解模型的设计并确认分析结果。开发的模型可用于改进 dMRI。

目前团队面临的最大挑战是扩大该方法的规模。Chalupa-Gantner 说：“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，我们的目标不仅是开发更复杂的设计，而且还进一步优化打印过程本身。”