2025年10月17日，明尼蘇達(dá)大學(xué)和華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種3D打印方法，可以復(fù)制人體組織的方向力學(xué)，為醫(yī)學(xué)模擬和外科手術(shù)訓(xùn)練帶來更高的真實感。相關(guān)研究以題為“3D printed anisotropic tissuesimulants with embedded fluid capsules for medical simulation and training”的論文發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6446

人體組織是各向異性的，這意味著由于膠原蛋白和彈性蛋白纖維的排列方向不同，剛度和彈性會隨方向變化。傳統(tǒng)的鑄造硅膠模型無法模擬這種特性，因此明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授邁克爾·麥卡爾平的團(tuán)隊開發(fā)了一種3D打印方法，通過在體素尺度上控制絲狀體的幾何形狀來引入各向異性。

通過調(diào)整打印線的高度、間距和材料成分，他們創(chuàng)建了剛度比與真實組織相匹配的結(jié)構(gòu)。上述論文中提出的一個數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確地預(yù)測了這些效應(yīng)，測試證實了與人體皮膚相當(dāng)?shù)目烧{(diào)各向異性，沿打印纖維方向的剛度比超過1.5:1。

△細(xì)胞體素模型的設(shè)計和表征。圖片來自Science Advances。

用于外科手術(shù)訓(xùn)練的各向異性皮膚模型

為了演示該方法，研究人員制作了一個3D打印的人體頸部組織模型，用于環(huán)甲膜切開術(shù)訓(xùn)練，這是一種高風(fēng)險的緊急氣道手術(shù)。模型被稱為“環(huán)甲膜皮球”，由代表皮膚和皮下區(qū)域的多層硅膠組織組成，機(jī)械行為經(jīng)過定制，以復(fù)制人體頸部組織的各向異性特性。

每層的打印路徑均通過自定義算法生成，算法根據(jù)頸部膠原纖維方向（通過偏振敏感的光學(xué)相干斷層掃描測量）來確定打印線的方向。這確保了打印模擬物的局部機(jī)械響應(yīng)與真實組織結(jié)構(gòu)相符。打印系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)龍門式擠出打印機(jī)，并配備容積式計量泵，以確保材料絲的均勻沉積。噴嘴位置的調(diào)整可補(bǔ)償非平面表面的曲率，從而在模型的雙曲面幾何形狀上保持精確沉積。這些改進(jìn)使得無需多軸機(jī)器人系統(tǒng)即可生產(chǎn)出針對特定患者的、機(jī)械精確的模擬物。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)真實感，研究人員將充滿液體的微膠囊集成到打印的組織中，以重現(xiàn)切割時的出血現(xiàn)象。這些膠囊采用微流體雙乳液工藝制造，將水性紅色染料封裝在一層薄薄的聚苯乙烯外殼內(nèi)。將膠囊與剪切稀化水凝膠混合，沉積在打印的皮膚和皮下層之間，然后密封。當(dāng)膠囊被壓縮或切開時，膠囊會破裂并釋放出有色液體，模擬血液流動。膠囊可保持?jǐn)?shù)周穩(wěn)定，不會發(fā)生泄漏，并且可以通過在制造過程中調(diào)整流速來調(diào)整尺寸和破裂強(qiáng)度。

研究人員與西雅圖金縣Medic One組織的醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行了一項可接受性比較研究。參與者分別對傳統(tǒng)鑄造硅膠假體和3D打印各向異性硅膠假體進(jìn)行了環(huán)甲膜切開術(shù)。調(diào)查結(jié)果顯示，3D打印模型在觸診和切割時提供了更逼真的觸覺響應(yīng)，出血行為也更逼真。這些差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，尤其是在與皮膚觸感和切口真實感相關(guān)的類別中。這套工藝與標(biāo)準(zhǔn)3D打印硬件和材料兼容，為醫(yī)療培訓(xùn)應(yīng)用提供可擴(kuò)展性。

由于各向異性是通過打印幾何形狀而非嵌入纖維或復(fù)雜復(fù)合材料實現(xiàn)的，該方法避免了限制先前設(shè)計的剛度增加。相同的框架可以適用于其他器官模型，從而可以定向調(diào)整機(jī)械性能，使其與心臟、血管或肌肉骨骼組織的機(jī)械性能相匹配。

△注入充滿液體的膠囊來模擬出血。圖片來自Science Advances。

擴(kuò)展3D打印在醫(yī)學(xué)模擬中的應(yīng)用

作為一個典型的用例，3D打印有助于為各種手術(shù)創(chuàng)建解剖和機(jī)械上精確的訓(xùn)練模型，并為需要精確機(jī)械響應(yīng)的醫(yī)療設(shè)備開發(fā)逼真的測試平臺。2021年，醫(yī)學(xué)解剖模型制造商Biomodex推出了一款用于經(jīng)隔膜穿刺（TP）的3D打印訓(xùn)練系統(tǒng)，旨在復(fù)制真實心臟組織的幾何形狀、觸覺和觸覺反饋，同時保持超聲兼容性。模型由一個可重復(fù)使用的心臟框架和一個可在練習(xí)過程中刺穿的一次性隔膜盒組成。

Biomodex采用專有INVIVOTECH和ECHOTECH工藝，打印了多材料解剖雙胞胎，模擬了人體組織的機(jī)械和聲學(xué)特性。打印系統(tǒng)使電生理學(xué)家能夠在逼真的生物力學(xué)和影像引導(dǎo)下進(jìn)行訓(xùn)練，從而縮短了這種復(fù)雜心臟手術(shù)的學(xué)習(xí)曲線。

西英格蘭大學(xué)精細(xì)印刷研究中心的研究人員開發(fā)了3D打印器官模擬器，可以復(fù)制人體組織的外觀、彈性和一致性，用于外科手術(shù)訓(xùn)練。項目由挪威科技大學(xué)(NTNU)ApPEARS項目資助，由David Huson領(lǐng)導(dǎo)，結(jié)合3D打印和鑄造技術(shù)，制作了低成本、高保真度的十二指腸、膽囊、肝臟、胰腺和膽管模型，用于腹腔鏡膽管探查訓(xùn)練。這些原型由多種材料制成，而非硅膠，并復(fù)制了軟組織的聲學(xué)特性，從而實現(xiàn)了逼真的超聲引導(dǎo)練習(xí)，并減少了對尸體或動物模型的依賴。

編譯整理：3dnatives

來源：中國3D打印網(wǎng)