新型3D打印組織可模擬真實皮膚，用于醫學培訓

魔猴君  行業資訊   20天前

2025年10月17日，明尼蘇達大學和華盛頓大學的研究人員開發了一種3D打印方法，可以復制人體組織的方向力學，為醫學模擬和外科手術訓練帶來更高的真實感。相關研究以題為“3D printed anisotropic tissuesimulants with embedded fluid capsules for medical simulation and training”的論文發表在《科學進展》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。傳統的鑄造硅膠模型無法模擬這種特性，因此明尼蘇達大學機械工程學教授邁克爾·麥卡爾平的團隊開發了一種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。

通過調整打印線的高度、間距和材料成分，他們創建了剛度比與真實組織相匹配的結構。上述論文中提出的一個數學模型準確地預測了這些效應，測試證實了與人體皮膚相當的可調各向異性，沿打印纖維方向的剛度比超過1.5:1。

△細胞體素模型的設計和表征。圖片來自Science Advances。

用于外科手術訓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，用于環甲膜切開術訓練，這是一種高風險的緊急氣道手術。模型被稱為“環甲膜皮球”，由代表皮膚和皮下區域的多層硅膠組織組成，機械行為經過定制，以復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，算法根據頸部膠原纖維方向（通過偏振敏感的光學相干斷層掃描測量）來確定打印線的方向。這確保了打印模擬物的局部機械響應與真實組織結構相符。打印系統采用標準龍門式擠出打印機，并配備容積式計量泵，以確保材料絲的均勻沉積。噴嘴位置的調整可補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。這些改進使得無需多軸機器人系統即可生產出針對特定患者的、機械精確的模擬物。

為了進一步增強真實感，研究人員將充滿液體的微膠囊集成到打印的組織中，以重現切割時的出血現象。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。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。膠囊可保持數周穩定，不會發生泄漏，并且可以通過在制造過程中調整流速來調整尺寸和破裂強度。

研究人員與西雅圖金縣Medic One組織的醫護人員進行了一項可接受性比較研究。參與者分別對傳統鑄造硅膠假體和3D打印各向異性硅膠假體進行了環甲膜切開術。調查結果顯示，3D打印模型在觸診和切割時提供了更逼真的觸覺響應，出血行為也更逼真。這些差異具有統計學意義，尤其是在與皮膚觸感和切口真實感相關的類別中。這套工藝與標準3D打印硬件和材料兼容，為醫療培訓應用提供可擴展性。

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

△注入充滿液體的膠囊來模擬出血。圖片來自Science Advances。

擴展3D打印在醫學模擬中的應用

作為一個典型的用例，3D打印有助于為各種手術創建解剖和機械上精確的訓練模型，并為需要精確機械響應的醫療設備開發逼真的測試平臺。2021年，醫學解剖模型制造商Biomodex推出了一款用于經隔膜穿刺（TP）的3D打印訓練系統，旨在復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。模型由一個可重復使用的心臟框架和一個可在練習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械和聲學特性。打印系統使電生理學家能夠在逼真的生物力學和影像引導下進行訓練，從而縮短了這種復雜心臟手術的學習曲線。

西英格蘭大學精細印刷研究中心的研究人員開發了3D打印器官模擬器，可以復制人體組織的外觀、彈性和一致性，用于外科手術訓練。項目由挪威科技大學(NTNU)ApPEARS項目資助，由David Huson領導，結合3D打印和鑄造技術，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練。這些原型由多種材料制成，而非硅膠，并復制了軟組織的聲學特性，從而實現了逼真的超聲引導練習，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