世界上第一個由3D打印機開發的高分辨率大腦模型
時間：2024-03-25 08:59 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年3月22日，維也納工業大學和維也納醫科大學聯合開發出世界上第一個3D打印的“大腦模型”。這些模型利用先進的雙光子聚合（2PP）技術，能夠精確再現大腦的微觀結構，包括神經細胞網絡和微通道。這些模型對于改進dMRI（彌散磁共振成像）分析軟件具有重要意義，有助于更準確地重建大腦的神經結構，從而為神經退行性疾病的手術和研究規劃提供支持。
技術研發背景
該研究團隊證實，這些3D打印的大腦模型可用于推動對阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥和多發性硬化癥等神經退行性疾病的研究。MRI是一種廣泛應用的診斷成像技術，主要用于大腦檢查。通過MRI，可以檢查大腦的結構和功能，而無需使用電離輻射。在MRI的特殊變體——彌散加權成像MRI（dMRI）中，可以確定大腦中神經纖維的方向。然而，在神經纖維束的交叉點處，由于不同方向的神經纖維重疊，因此很難正確確定神經纖維的方向。
從外觀上看，這個模型比真實的大腦要小的多，形狀是一個立方體。其內部充滿微通道，大小與單個顱神經相當，但這些通道的直徑比人的頭發絲還要細五倍。
為了模仿大腦中精細的神經細胞網絡，第一作者Michael Woletz（維也納醫科大學醫學物理和生物醫學工程中心）和Franziska Chalupa-Gantner（維也納工業大學3D打印和生物制造研究小組）領導的研究小組使用了一種相當不尋常的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的微結構，而不是打印立方毫米級的三維結構。
該團隊表示，之前也有報道使用3D打印方法創建大腦模型，但他們大多采用低得多的打印分辨率，導致通道直徑更大，更適合模仿肌肉微觀結構。為此，維也納研究人員利用各種技術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構，同時保持高數量和高密度微通道，適合模擬較大的軸突。
Michael Woletz把這種方法比作提高dMRI的診斷能力和手機攝像頭的工作方式。：“我們看到，手機相機在攝影方面取得的最大進步，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。使用新開發的大腦模型，我們可以更精確地調整分析軟件，從而提高測量數據的質量并更準確地重建大腦的神經結構。”
大腦模型訓練分析軟件
因此，對于“訓練”dMRI分析軟件來說，真實再現大腦中特征神經結構至關重要。使用3D打印使得創建可修改和定制的多樣化且復雜的設計成為可能。因此，大腦模型描繪了大腦中產生特別復雜信號并因此難以分析的區域，例如交叉的神經通路。
為了校準分析軟件，使用dMRI檢查大腦模型，并像在真實大腦中一樣分析測量數據。借助3D打印，可以精確了解模型的設計，并且可以檢查分析結果。維也納工業大學和維也納醫科大學能夠證明這是聯合研究工作的一部分。
盡管已經進行了概念驗證，但該團隊仍然面臨挑戰。目前最大的挑戰是擴大該方法的規模。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節成為可能，因此非常適合腦神經成像。然而，與此同時，使用這種技術打印幾個立方厘米大小的立方體需要相應較長的時間。因此，我們不僅致力于開發更復雜的設計，而且還進一步優化打印過程本身。”
該研究團隊證實，這些3D打印的大腦模型可用于推動對阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥和多發性硬化癥等神經退行性疾病的研究。MRI是一種廣泛應用的診斷成像技術，主要用于大腦檢查。通過MRI，可以檢查大腦的結構和功能，而無需使用電離輻射。在MRI的特殊變體——彌散加權成像MRI（dMRI）中，可以確定大腦中神經纖維的方向。然而，在神經纖維束的交叉點處，由于不同方向的神經纖維重疊，因此很難正確確定神經纖維的方向。
△可定制的模型支架效果圖。該組件由一個較大的球殼（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，以改變膠囊的數量和位置（紅色/藍色），盡管只顯示了這些層中的一層，但可以根據需要插入更多層
作為核磁共振成像專家的維也納醫科大學研究人員，與維也納工業大學的3D打印專家密切合作，同時也與蘇黎世大學和漢堡大學醫學中心的同事合作。2017年，維也納工業大學開發了一種雙光子聚合打印機，實現了升級打印。這項技術專利構成了目前開發出的腦部模型的基礎。從外觀上看，這個模型比真實的大腦要小的多，形狀是一個立方體。其內部充滿微通道，大小與單個顱神經相當，但這些通道的直徑比人的頭發絲還要細五倍。
△升級、設計優化和驗證
為了模仿大腦中精細的神經細胞網絡，第一作者Michael Woletz（維也納醫科大學醫學物理和生物醫學工程中心）和Franziska Chalupa-Gantner（維也納工業大學3D打印和生物制造研究小組）領導的研究小組使用了一種相當不尋常的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的微結構，而不是打印立方毫米級的三維結構。
該團隊表示，之前也有報道使用3D打印方法創建大腦模型，但他們大多采用低得多的打印分辨率，導致通道直徑更大，更適合模仿肌肉微觀結構。為此，維也納研究人員利用各種技術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構，同時保持高數量和高密度微通道，適合模擬較大的軸突。
Michael Woletz把這種方法比作提高dMRI的診斷能力和手機攝像頭的工作方式。：“我們看到，手機相機在攝影方面取得的最大進步，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。使用新開發的大腦模型，我們可以更精確地調整分析軟件，從而提高測量數據的質量并更準確地重建大腦的神經結構。”
△模型設計和驗證
大腦模型訓練分析軟件
因此，對于“訓練”dMRI分析軟件來說，真實再現大腦中特征神經結構至關重要。使用3D打印使得創建可修改和定制的多樣化且復雜的設計成為可能。因此，大腦模型描繪了大腦中產生特別復雜信號并因此難以分析的區域，例如交叉的神經通路。
為了校準分析軟件，使用dMRI檢查大腦模型，并像在真實大腦中一樣分析測量數據。借助3D打印，可以精確了解模型的設計，并且可以檢查分析結果。維也納工業大學和維也納醫科大學能夠證明這是聯合研究工作的一部分。
△雙光子聚合3D打印技術原理示意
盡管已經進行了概念驗證，但該團隊仍然面臨挑戰。目前最大的挑戰是擴大該方法的規模。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節成為可能，因此非常適合腦神經成像。然而，與此同時，使用這種技術打印幾個立方厘米大小的立方體需要相應較長的時間。因此，我們不僅致力于開發更復雜的設計，而且還進一步優化打印過程本身。”
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