世界上首个3D打印 “大脑模型”，有望改善神经性疾病

发布时间：2024-03-25 01:32:28来源：科学家杂志浏览量：

科学家们合作开发了世界上第一个3D打印的“脑幻影”，利用特殊的磁共振成像技术（dMRI）来模拟大脑纤维。这一进展旨在通过利用这些详细的大脑模型，提高dMRI分析软件的准确性，从而改进对阿尔茨海默病、帕金森病和多发性硬化等神经退行性疾病的研究。

这一新模型有望加速对神经退行性疾病的研究。

在维也纳医科大学和维也纳工业大学的联合项目中，世界上第一个3D打印的“脑幻影”已经开发出来，这是根据大脑纤维结构建模的，并可以使用一种特殊的磁共振成像（dMRI）进行成像。

正如由维也纳医科大学和维也纳工业大学领导的科学团队在一项研究中所展示的，这些大脑模型可以用于推进对阿尔茨海默病、帕金森病和多发性硬化等神经退行性疾病的研究。这项研究成果已发表在《先进材料技术》杂志上。

磁共振成像（MRI）是一种广泛使用的诊断成像技术，主要用于检查大脑。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——扩散加权MRI（dMRI）中，还可以确定大脑中神经纤维的方向。然而，在神经纤维束交叉点处，正确确定神经纤维的方向是非常困难的，因为具有不同方向的神经纤维在那里重叠。

为了进一步改进这一过程并测试分析和评估方法，一个国际团队与维也纳医科大学和维也纳工业大学合作开发了所谓的“脑幻影”，这是使用高分辨率3D打印技术制造的。

微小的带微通道的立方体

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-埃本多夫大学医学中心的同事紧密合作。早在2017年，维也纳工业大学开发了一台两光子聚合打印机，可以实现放大打印。

在此过程中，与维也纳医科大学和苏黎世大学一起作为使用案例进行了脑幻影研究。由此产生的专利构成了现在已开发出的脑幻影的基础，并由维也纳工业大学的研究和转让支持团队监督。

从视觉上看，这个幻影与真实大脑没有太多关系。它要小得多，呈立方体形状。内部是极细的水填充微通道，大小与单个颅神经相当。这些通道的直径比人类头发还要细五倍。为了模仿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Michael Woletz和维也纳工业大学3D打印与生物制造研究小组的首席作者Franziska Chalupa-Gantner领导的研究团队使用了一种相当不寻常的3D打印方法：两光子聚合。

这种高分辨率方法主要用于在纳米和微米级范围内打印微结构，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的幻影，维也纳工业大学的研究人员一直在努力扩大3D打印过程，并实现具有高分辨率细节的大型对象的打印。高度放大的3D打印为研究人员提供了非常好的模型，当在dMRI下观察时，可以对各种神经结构进行分配。

Michael Woletz将这种改进dMRI诊断能力的方法比作改进手机相机的方式：“我们在手机相机的摄影方面看到最大的进步不一定在于新的、更好的镜头，而在于改善拍摄图像的软件。在dMRI方面情况类似：使用新开发的脑幻影，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。”

脑幻影训练分析软件

在大脑中真实再现特征神经结构对于“训练”扩散加权磁共振成像（dMRI）分析软件至关重要。利用3D打印技术可以创造多样化和复杂的设计，这些设计可以进行修改和定制。因此，脑幻影描绘了在大脑中产生特别复杂信号且难以分析的区域，如交叉神经通路。

为了校准分析软件，脑幻影通过dMRI进行检查，并将测量数据像在真实大脑中一样进行分析。由于3D打印技术，幻影的设计是精确已知的，分析结果可以进行核查。维也纳医科大学和维也纳工业大学能够展示这一点，作为联合研究工作的一部分。开发的脑幻影可以用于改进dMRI，这有助于手术规划和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病和多发性硬化）的研究。

尽管概念已经得到验证，但团队仍面临挑战。目前最大的挑战是扩大该方法的规模：“两光子聚合的高分辨率使得可以在微米和纳米级范围内打印细节，因此非常适合成像颅神经。然而，使用这种技术打印几立方厘米大小的立方体需要相应长的时间，”Chalupa-Gantner解释道。“因此，我们不仅旨在开发更复杂的设计，还要进一步优化打印过程本身。”

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