3D 打印技术在骨科、整形外科、血管外科等科室的开展日益深入，然而，在神经外科，该技术的尚局限在颅骨形态的打印。究其原因，原来目前技术下，想打印出像脑组织这样超软的物质尚难以实现，更别提做到触觉上的真实性了。
鉴于此，Ploch 等研究了一种新技术，可以通过 3D 打印制造出符合要求的可变形、个体化的大脑模型，其在 Word Neurosurgery 上发表文章，公布了这一最新研究结果。
具体步骤
1. 磁共振成像（MRI）采集
以下的图像来自美国斯坦福大学认知和神经生物学成像研究中心，用到的 MRI 强度为 3T（磁通量为 3 特斯拉）。
图 1 一名 25 岁健康女性的脑组织 MRI 成像（从左往右依次为轴状位、矢状位、冠状位）
2. 脑组织曲面模型制作
第一步图像采集完成后，就可以利用 FreeSurfer 软件进行脑容量、表面面积、皮质厚度、脑回指数（GI）的测定，采集左右大脑的数据入文件，完成脑组织曲面模型制作（图 2）。
图2 用 FreeSurfer 软件基于 MRI 图像制作的脑组织曲面模型。左侧为轴位观，中间和右侧为侧面观，并用不同颜色进行了解剖学分区的标记。经测定，该脑组织的脑容量为 1228.8 cm3，表面积为 1766.9 cm2，平均皮质厚度为 0.263 cm
听起来很复杂的样子，其实上述过程是全自动的，只需一台电脑，耗时约 4 小时，花费几乎为零（所用到的 FreeSurfer 软件来自哈佛大学，可免费获取）。
3.3D 打印脑组织模型
接下来就要开始实施打印了，初步打印，采用的是 ABS 塑料（丙烯腈，丁二烯和苯乙烯的共聚物），打印出的模型如图 3、4 所示。
图 3 正在进行 3D 打印的个体化脑组织模型。左右大脑半球分别打印出来。所用材料为 ABS 塑料，其纤维直径为 1.75 mm，刚度为 1 GPa
模型中用到的 ABS 塑料的刚度（弹性模量）大约为 1 GPa，这个数值，要比脑组织的高 6 个数量级。也就是说，这个 3D 打印模型非常不适合作为仿真实触觉的手术训练工具。
图4 3D 打印完成的脑组织模型。从左往右依次为轴位观、矢状位观、侧面观。表面形态结构真实、个体化
按照目前的价格，3D 打印费用 900 美元，所用材料约每个大脑半球 4 美元，打印耗时 10 小时，无需人员监视。
4. 硅胶模具的制作
为了做到触觉真实，可变性，以上 3D 打印出的脑组织模型只是作为最终模型浇铸过程中的一个样板。下面就看下硅胶模具的制作，如图所示。
图5 硅胶模具的制作。在原 3D 打印模型的基础上，用可涂刷的硅胶 Rebound 25（其邵氏硬度为 25，抗张强度为 700KPa）轻柔地刷上，左右大脑均刷 4 层，做成一个牢固耐用的母模，浇铸时维持结构的完整性
硅胶模具的制作约花费 20 美元，耗时近 7 小时。
5. 触觉真实的个体化脑组织模型完成
经过比较筛选，作者最终选定了一种合成树脂作为浇铸材料。这种合成树脂刚性约 10KPa，比常规采用的 3D 打印材料软很多，相差约 5 个数量级；仅仅比哺乳动物脑组织硬约 1 个数量级。
图 6 触觉真实的个体化脑组织模型。通过向硅胶模具里浇铸人工合成胶来完成。从左往右分别为轴位观、矢状位观、侧面观
这种胶制模型的材料花费约 22 美元，耗时约 3 小时。值得一提的是，这种胶是可循环再利用的。
评价
好了，至此研究中的 3D 打印脑组织模型就完成了。那么，是否符合我们的要求呢？来看检测及反馈。
图 7 外科手术评估。神经外科医师（手术者）和住院医师（学习者）从脑组织模型大小、硬度、切割感、解剖结构的触感和准确性、外观视感等方面进行评价
经调查，发现对模型反馈满意度最高的是大小（100%），其它依次是外观视感（83.33%）、解剖结构的准确性（81.25%）、解剖结构的触感（56.25%）、切割感（43.75%）、硬度（43.75%）。
在对该模型的实际应用领域中，满意度最高的是外科医师学习（100%），其次是手术训练（95%）、术前准备（95%）、教学（94.44%）、患教（85.00%）。
图 8 纳米压痕机械测试。左侧为哺乳动物脑组织切片，右侧为胶制脑组织模型切片，后者刚度（E = 25.29±2.68KPa）比前者（E = 2.64±0.40KPa）稍硬，相差约 1 个数量级
本文研究证实，采用该技术进行的 3D 打印脑组织模型，完全可以既做到生理学及解剖形态上的真实，又满足个体化、可变形的触觉仿真特点，能够真正意义上地用于患教演讲、神经外科教学、术前准备等方面。
