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雙光子3D打印大腦：MRI微觀結構驗證的新篇章

閱讀：287 發(fā)布時間：2024/6/14

維也納醫(yī)科大學(Medical University of Vienna)的 Michael Woletz團隊在ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES上發(fā)表了論文，研究發(fā)現，磁共振成像（MRI）由于其非侵入性、多功能性和出色的對比度，已成為現代醫(yī)療保健中重要的工具。然而，MRI仍有很大的發(fā)展?jié)摿?。例如，擴散成像（dMRI）是一種高潛力的模式，它利用水擴散常數的方向變化，這種變化源于局部組織的微觀結構細節(jié)。dMRI克服了傳統(tǒng)MRI的分辨率限制，并提供了額外的、臨床相關的數據。不幸的是，復雜的生物物理過程是各種對比機制的基礎，使得驗證MRI結果具有挑戰(zhàn)性。盡管dMRI在研究中被廣泛使用，但缺乏可靠的驗證限制了其在臨床環(huán)境中的應用。對于更方法，如旨在捕捉大腦白質（WM）通路3D細節(jié)的白質纖維束成像，更是如此。

人腦白質中單個軸突的物理尺寸范圍在0.1到20微米之間，對于MRI來說太小而無法分辨。因此，MR纖維束成像試圖重建軸突束的3D波狀路徑，而不是單個軸突。有多種方法可以對dMRI數據進行纖維束成像。這些方法可以以確定性的方式進行，例如，沿著可以擬合到每個體素dMRI數據的擴散張量的長軸，或者依靠概率方法。然而，如果沒有適當的驗證機會，很難支持或反對纖維束成像流程的輸出。此外，對可重復性研究不斷增長的需求，要求有方法和指導方針來實現迄今為止已證明的更好的可重復性。

驗證工作需要一個“黃金標準"，但建立這樣的黃金標準是一項復雜的任務，可能有多種途徑。一種方法是用dMRI和其他完善但更具侵入性的方法檢查相同的大腦組織樣本。在這種情況下，侵入性方法的結果被視為黃金標準。這種侵入性驗證工作顯然存在倫理限制、安全問題和實踐挑戰(zhàn)，因此需要另一種方法：設計和組裝無生命的測試對象（也稱為模型）。鑒于這些模型的細節(jié)可以由實驗者調整，并且事先以高精度已知，它們不僅可以被視為黃金標準，甚至可以被視為基本事實。

組裝這樣的模型具有挑戰(zhàn)性，它們通常要么缺乏體內組織的復雜性，要么其微觀結構細節(jié)在制造過程中難以控制，或者兩者兼而有之。例如，即使在大腦白質區(qū)域，傳統(tǒng)上認為軸突“平行"運行并具有恒定的橫截面積，但最近的證據表明并非如此。Andersson等人（2020）的研究表明，單個軸突彼此之間存在相當大的角度，具有特別的扭曲路徑，并且它們的橫截面積沿其長度變化。這些微觀結構細節(jié)很難用均勻的直線電纜或空心管來模擬WM的模型來捕捉。其他方法可以產生更逼真的微觀結構細節(jié)，但由此產生的組裝模型的事先了解較少。

在這里，我們證明了高分辨率3D打印技術雙光子聚合（2PP）可以同時克服制造模型中的這些缺點。在增材制造的幫助下，已經為構建3D仿生支架設定了新的標準。2PP的多功能性使其能夠以高精度和復雜性創(chuàng)建對象，同時提供高度的設計自由度。

2PP是增材制造領域中的一種強大工具，已成為微米和納米級制造的先進方法，具有廣泛的應用。2PP利用雙光子吸收的非線性光學效應，能夠制造具有亞微米區(qū)域特征的物體。然而，令人印象深刻的空間分辨率是以犧牲較大物體較長的制造時間為代價的。因此，制造結構的整體尺寸通常在每個維度上不超過幾百微米。最近在硬件方面的進步與放大策略相結合，可以大大提高吞吐量，從而達到中觀和宏觀尺度，同時仍提供高分辨率的特征。

在目前的工作中，我們優(yōu)化并利用了生產放大的2PP打印3D模型的方法，這些模型具有足夠的尺寸，可以在7T人體MRI掃描儀中進行實驗。作為原理驗證，我們使用基于可調諧飛秒NIR激光器 (80 MHz, 70 fs; MaiTai eHP DeepSee, Spectra-Physics) 和顯微鏡物鏡 (Super-Achromat 10x/0.4, Olympus) 的2PP裝置設計、打印并驗證了兩個具有不同直通道排列的模型，一個模仿平行的纖維排列，另一個模仿交叉的軸突。除了相對較大的結構尺寸外，開發(fā)的模型還提供了具有高縱橫比的高密度模擬軸突的微通道。

提出的驗證工作包括確定打印材料的MRI兼容性、檢查偽影以及通過纖維束成像揭示實際纖維方向的測試。在更復雜的模型中進行類似的工作，這些模型更符合體內纖維的實際微觀結構細節(jié)，如曲率或密度或直徑的變化，留待以后的工作。在優(yōu)化3D打印制造過程并測試所生產的結構后，我們提供了實驗證據，證明我們的3D打印模型可用于MRI數據和廣泛使用的圖像處理流程。