科学家们合作创造了世界上第一个3d打印的“大脑幻影”，利用一种特殊的磁共振成像技术(dMRI)来模拟大脑纤维。这一进展旨在通过使用这些详细的大脑模型来提高dMRI分析软件的准确性，从而改善对神经退行性疾病(如阿尔茨海默氏症、帕金森症和多发性硬化症)的研究。
在维也纳MedUni大学和维也纳理工大学的一个联合项目中，世界上第一个3d打印的“大脑幻影”已经开发出来，它以大脑纤维的结构为模型，可以使用一种特殊的磁共振成像(dMRI)进行成像。
由维也纳医学大学和维也纳工业大学领导的一个科学小组现在在一项研究中表明，这些大脑模型可以用来推进对神经退行性疾病的研究，如阿尔茨海默氏症、帕金森病和多发性硬化症。这项研究发表在《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。核磁共振成像可以在不使用电离辐射的情况下检查大脑的结构和功能。在MRI的一种特殊变体中，弥散加权MRI (dMRI)也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，由于不同方向的神经纤维在那里重叠，很难正确判断神经纤维的方向。
为了进一步改进工艺和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理工大学合作开发了一种所谓的“大脑幻影”，采用高分辨率3D打印工艺生产。
带有微通道的小立方体
维也纳医科大学作为核磁共振专家和维也纳理工大学作为3D打印专家的研究人员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了一种双光子聚合打印机，可以实现规模化打印。
在此过程中，还与维也纳医科大学和苏黎世大学一起，将脑幻影作为一个用例进行了研究。由此产生的专利构成了大脑幻影的基础，现在已经被开发出来，并由维也纳工业大学的研究和转移支持小组监督。
从视觉上看，这个幻影与真正的大脑没有多大关系。它要小得多，有一个立方体的形状。它的内部是非常细的，充满水的微通道，大小与单个脑神经相当。这些通道的直径比人的头发细五倍。为了模拟大脑中神经细胞的精细网络，由第一作者Michael Woletz(医学物理和生物医学工程中心，维也纳MedUni)和Franziska Chalupa-Gantner (3D打印和生物制造研究小组，维也纳理工大学)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。
这种高分辨率的方法主要用于打印纳米和微米范围内的微结构，而不是用于打印立方毫米范围内的三维结构。为了制造出适合dMRI的尺寸的幻影，维也纳理工大学的研究人员一直在努力扩大3D打印过程，并使打印更大的物体具有高分辨率的细节。高度缩放的3D打印为研究人员提供了非常好的模型，当在dMRI下观察时，可以分配各种神经结构。
Michael Woletz将这种方法与提高dMRI诊断能力的方式与手机相机的工作方式进行了比较:“我们看到，手机相机在摄影方面取得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。这种情况与dMRI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，更准确地重建大脑的神经结构。”
大脑幻影列车分析软件
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多样化和复杂的设计成为可能，这些设计可以修改和定制。因此，脑幻象描绘的是大脑中产生特别复杂信号的区域，因此难以分析，比如交叉的神经通路。
为了校准分析软件，因此使用dMRI检查脑幻影，并像分析真实大脑一样分析测量数据。得益于3D打印技术，人们可以精确地了解这些幻影的设计，并对分析结果进行检查。维也纳医学大学和维也纳理工大学能够证明这是联合研究工作的一部分。这些幻影可以用来改善dMRI，这有利于手术计划和神经退行性疾病的研究，如阿尔茨海默氏症、帕金森症和多发性硬化症。
尽管概念得到了验证，但该团队仍然面临着挑战。目前最大的挑战是扩大该方法的规模:“双光子聚合的高分辨率使得在微纳米范围内打印细节成为可能，因此非常适合成像脑神经。然而，与此同时，使用这种技术打印一个几立方厘米大小的立方体需要相当长的时间，”Chalupa-Gantner解释说。“因此，我们不仅要开发更复杂的设计，还要进一步优化打印过程本身。”
参考文献:“走向打印大脑:MRI的微结构真实幻影”，作者:Michael Woletz, Franziska Chalupa-Gantner, Benedikt Hager, Alexander Ricke, Siawoosh Mohammadi, Stefan Binder, Stefan Baudis, Aleksandr Ovsianikov, Christian Windischberger和Zoltan Nagy, 2024年1月7日，先进材料技术。DOI: 10.1002 / admt.202300176
