Исследователи из Инженерного колледжа Университета Миссури успешно напечатали на 3D-принтере искусственный фантом человеческого мозга. Это может кардинально изменить подход ученых к изучению неврологических заболеваний, подготовке медицинских специалистов и разработке персонализированных методов лечения.

В настоящее время модель составляет 15% от размера настоящего человеческого мозга, но команда планирует создать полноразмерную версию в течение следующего года. Отличительной особенностью этой напечатанной на 3D-принтере модели мозга является то, что она точно имитирует не только внешний вид, но и механические свойства, а также электромагнитные характеристики настоящей мозговой ткани.

Созданная с помощью 3D-печати модель мозга составляет 15% от размера настоящего человеческого мозга.

Что такое фантом мозга?

В научных исследованиях «фантом» — это тестовый образец или модель, разработанная для воспроизведения материальных свойств и характеристик визуализации реальной биологической ткани. Этот фантом мозга позволяет исследователям анализировать, как мозг реагирует на механические силы и электромагнитные волны. Он предоставляет данные, которые выходят за рамки того, что могут дать компьютерные модели.

Новый подход: встроенная 3D-печать

Большинство моделей мягких тканей создаются с использованием методов, которые приводят к однородной внутренней структуре, что не позволяет воспроизвести неоднородную природу реальной ткани головного мозга. Для преодоления этого ограничения команда из Университета Миссури использовала технологию, называемую встроенной 3D-печатью .

Вместо печати на открытом воздухе модель была напечатана внутри желеобразной поддерживающей среды. Эта поддерживающая среда обеспечивает отпечатку структурную стабильность, необходимую для воспроизведения различной жесткости головного мозга в разных его областях, а также его мягких складок и борозд.

Технология 3D-печати позволяет создавать модели с различной жесткостью.

Чернила, созданные по индивидуальному заказу и имитирующие ткани головного мозга.

Ключевым нововведением в этом исследовании является разработка специальных чернил: модифицированного обычного полимера, который исследователи могут точно настраивать для воспроизведения механических, термических и диэлектрических свойств ткани головного мозга.

Регулируя химический состав чернил, команда может печатать участки, которые ведут себя как серое или белое вещество:

• Серое вещество находится в головном и спинном мозге. Оно обеспечивает мышление, движение и память, а также играет ключевую роль в обработке информации, контроле действий и управлении эмоциями.
• Белое вещество проводит, обрабатывает и передает нервные сигналы по спинному мозгу, а также интерпретирует сенсорную информацию от тела.

Кристофер О'Брайан, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники и соавтор исследования, пояснил: «Человеческие ткани невероятно неоднородны, состоят из различных материалов с разными свойствами. Наш подход к 3D-печати позволяет нам воспроизвести эту сложность таким образом, который ранее был невозможен».

Области применения: от медицинского образования до неврологических исследований.

Созданный с помощью 3D-печати фантом мозга имеет широкий спектр потенциальных применений в медицине и научных исследованиях:

• Медицинское образование: Врачи и студенты-медики могут тренироваться на реалистичных 3D-моделях мозга, созданных с помощью 3D-печати, что позволяет безопасно и многократно отрабатывать навыки перед работой с пациентами.
• Персонализированное планирование лечения: созданные на основе индивидуальных МРТ или КТ-сканирований модели головного мозга могут помочь врачам планировать и адаптировать стратегии лечения.
• Тестирование медицинских изделий: Модели можно использовать для изучения взаимодействия имплантатов или обычных электронных устройств с тканями головного мозга.
• Исследования неврологических заболеваний: фантомы могут помочь ученым изучать прогрессирование таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, аневризмы головного мозга и черепно-мозговые травмы.

Муджтаба Рафик Гото, аспирант и ведущий исследователь этого проекта, подчеркнул более широкое значение: «Речь идет о предоставлении медицинскому и научному сообществам инструмента, который является одновременно реалистичным и персонализированным. Возможности для улучшения здоровья и безопасности огромны».

Муджтаба Рафик Гото (слева) и Кристофер О'Брайан готовят компьютерные модели, используемые в процессе 3D-печати.

Подробности исследования

Результаты исследования опубликованы в журнале Materialia под названием: «3D-печать фантомных моделей мягких тканей из фотосшиваемого метакрилата поливинилспирта».

Источник