用硅胶3D打印大脑血管可以改善和个性化神经外科手术

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

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来练习每个手术。但是目前神经外科医生用于训练的模型并不能很好地模仿真实的血管。它们提供不切实际的触觉反馈，缺乏小而重要的结构细节，并且通常排除决定如何执行每个程序的整个解剖学组件。在术前模拟过程中对患者大脑进行逼真和个性化的复制品可以减少真实外科手术中的错误。

然而，3D打印可以制作具有外科医生所需的柔软触感和结构精度的复制品。

3D打印通常被认为是一个过程，涉及铺设一层又一层的熔化塑料，这些塑料随着自支撑结构的构建而固化。不幸的是，许多软材料不会像3D打印机通常使用的塑料长丝那样熔化和重新固化。用户只能使用硅胶等柔软材料拍摄一次，它们必须在液态下打印，然后不可逆地固化。

在 3D 中成型液体

如何用液体制作复杂的 3D 形状，而不会最终形成水坑或坍塌的斑点?

为此，研究人员开发了一种称为嵌入式3D打印的广泛方法。使用这种技术，“墨水”沉积在第二种支撑材料的浴槽内，该支撑材料设计用于在印刷喷嘴周围流动，并在喷嘴移开后立即将墨水捕获在位置。这允许用户通过将液体困在三维空间中来用液体创建复杂的形状，直到需要固化打印结构。嵌入式3D打印对于构建各种软材料(如水凝胶，微粒甚至活细胞)非常有效。

然而，使用硅胶打印仍然具有挑战性。液态有机硅是一种油，而大多数支撑材料是水基的。油和水具有很高的界面张力，这是油滴在水中呈圆形的驱动力。这种力还会导致3D打印的有机硅结构变形，即使在支撑介质中也是如此。

更糟糕的是，这些界面力驱动小直径有机硅特征在打印时分解成液滴。已经进行了大量研究，以制造无需支撑即可打印的有机硅材料，但这些重大修改也改变了用户关心的特性，例如硅胶的柔软性和弹性。

3D打印硅胶与AMULIT

作为在软物质物理、机械工程和材料科学界面工作的研究人员，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，大多数有机硅油墨在化学上与我们的有机硅支撑材料相似，从而大大降低了界面张力，但也有足够的不同，以便在组装在一起进行3D打印时保持分离。我们创造了许多候选支持材料，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，由硅油连续体中的水微滴制成。我们称这种方法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，创造出直径小至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基于3D扫描3D打印患者脑血管的精确模型，以及基于平均人体解剖结构的功能心脏瓣膜模型。

3D硅胶打印在医疗保健中的应用

有机硅是无数产品的关键成分，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硅胶倒入或注入模具并在凝固后去除铸件制成的。制造高精度模具的成本和难度限制了制造商只能使用几种预定尺寸、形状和设计的产品。在不损坏的情况下从模具中去除精致的有机硅结构是额外的障碍，并且在成型高度复杂的结构时会增加制造缺陷。

克服这些挑战可以在医疗保健行业开发先进的有机硅技术，其中个性化植入物或患者特定的生理结构模拟可以改变护理。

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