用硅胶 3D 打印大脑血管可以改善和个性化神经外科手术

根据我们最近发表的研究，一种使用硅胶的新型 3D 打印技术可以制作大脑中血管的精确模型，使神经外科医生能够在手术前进行更逼真的模拟训练。

此图显示了 AMULIT 技术在支持材料浴中打印肺模型的支气管。右边是针头沉积硅胶层以制作纸巾的特写镜头。

许多神经外科医生在进入手术室之前根据他们对患者大脑的了解模型练习每一次手术。但是目前神经外科医生用于训练的模型并不能很好地模拟真实的血管。它们提供不切实际的触觉反馈，缺少微小但重要的结构细节，并且通常不包含决定每个程序如何执行的整个解剖学组件。术前模拟期间患者大脑的逼真和个性化复制品可以减少实际手术过程中的错误。

然而， 3D打印可以制作具有外科医生所需的柔软手感和结构精度的复制品。

3D 打印通常被认为是一个过程，涉及一层又一层地铺设熔化的塑料，这些熔化的塑料随着自支撑结构的构建而凝固。不幸的是，许多软材料不会像 3D 打印机通常使用的塑料丝那样熔化和重新凝固。用户只能使用硅胶等软材料进行一次拍摄——它们必须在液态下打印，然后不可逆地固化。

在 3D 中塑造液体

如何用液体制作复杂的 3D 形状，而不会以水坑或坍塌的团块结束？

为此，研究人员开发了一种称为嵌入式 3D 打印的广泛方法。通过这种技术，“墨水”沉积在第二种支撑材料的浴槽中，该材料设计用于围绕打印喷嘴流动，并在喷嘴移开后立即将墨水捕获在该位置。这允许用户通过将液体困在三维空间中来创建复杂的形状，直到需要固化印刷结构。嵌入式 3D 打印可有效构建各种软材料，如水凝胶、微粒甚至活细胞。

然而，用硅胶印刷仍然具有挑战性。液体硅胶是一种油，而大多数支撑材料都是水基的。油和水具有高界面张力，这是油滴在水中呈圆形的驱动力。即使在支撑介质中，这种力也会导致 3D 打印的硅胶结构变形。

更糟糕的是，这些界面力会驱使小直径硅胶特征在打印时破裂成液滴。许多研究都致力于制造无需支撑即可打印的硅胶材料，但这些重大修改也会改变用户关心的属性，例如硅胶的柔软度和弹性。

研究人员正在探索使用活细胞的 3D 打印器官。

带有 AMULIT 的 3D 打印硅胶

作为从事软物质物理学、机械工程和材料科学交叉研究的研究人员，我们决定通过开发一种由硅油制成的支撑材料来解决界面张力问题。

我们推断，大多数有机硅墨水在化学上与我们的有机硅支撑材料相似，因此可以显着降低界面张力，但也有足够大的差异，以便在进行 3D 打印时保持分离。我们创造了许多候选支撑材料，但发现最好的方法是制作硅油和水的致密乳液。人们可以把它想象成晶莹剔透的蛋黄酱，由硅油连续体中的微滴水制成。我们将这种方法称为超低界面张力增材制造，或 AMULIT。

借助我们的 AMULIT 支持介质，我们能够以高分辨率打印现成的硅胶，创建直径小至 8 微米（约 0.0003 英寸）的特征。印刷结构与传统模制结构一样具有弹性和耐用性。

这些功能使我们能够根据 3D 扫描 3D 打印患者大脑血管的精确模型，以及基于平均人体解剖结构的功能性心脏瓣膜模型。

医疗保健中的 3D 硅胶打印

有机硅是无数产品的关键组成部分，从炊具和玩具等日常消费品到电子、航空航天和医疗保健行业的先进技术。

有机硅产品通常是通过将液态有机硅倒入或注入模具并在凝固后取出铸件制成的。制造高精度模具的费用和难度限制了制造商只能生产一些预定尺寸、形状和设计的产品。从模具中取出精密的有机硅结构而不造成损坏是一个额外的障碍，并且在成型高度复杂的结构时会增加制造缺陷。

克服这些挑战可以促进医疗保健行业先进的有机硅技术的发展，在该行业中，个性化植入物或针对患者的特定生理结构模拟可以改变护理方式。