3Dプリントによる実物大の人間の脳モデルとその臨床応用の展望

出典: インターディシプリナリー・ブレイン

現在でも、手術はさまざまな原因によって引き起こされる脳腫瘍や脳外傷を治療する有効な手段の一つです。しかし、人間の脳の複雑な構造により、操作の難易度は大幅に増加します。したがって、患者の状態に応じてカスタマイズされた術前脳モデルは、外科医が病変を正確に分析し、手術の熟練度を向上させるのに役立ち、手術の成功率を高めることができます。しかし、既存の型形成方法では、患者の脳に基づいた高精度の脳モデルを「印刷」することは困難です。同時に、現在の 3D 印刷技術では、生体適合性材料を使用して縮小された人間の脳構造を「印刷」することしかできず、フルサイズの人間の脳モデルの印刷を実現することはできません。

上記の問題を解決するために、ネバダ大学リノ校機械工学部の Jin Yifei 教授の研究グループは、応答性降伏応力流体に基づく「剥き卵法 (PBE)」を提案し、手術前のシミュレーション訓練用の実物大の人間の脳モデルの迅速な製造を実現しました (図 1 を参照)。この方法で使用される 3D プリント材料は、アルギン酸ナトリウム (NaAlg) とゼラチンで構成されています。光硬化性温度感受性降伏応力流体は、ナノクレイ、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン (Pluronic F127)、ポリエチレングリコールジアクリレート (PEGDA) で構成されています。従来の印刷のアイデアとは異なり、PBE は、応答性のある降伏応力流体を印刷プロセスのどの時点でも追加できるという事実を活用し、フルサイズの人間の脳の外側の輪郭を短い針で印刷するプロセスを実現します。印刷後、温度を下げることでゼラチンの架橋反応と支持浴の液化が完了します。このようにして、人間の脳の輪郭モデルを塩化カルシウム (CaCl2) 溶液に移し、アルギン酸ナトリウムの二次架橋を実現できます。一方、残ったサポートバス材料は次の印刷のためにリサイクルされます。完全に固まった人間の脳の輪郭モデルを紫外線の下に置きます。紫外線は人間の脳の外側の輪郭を効果的に貫通し、内部の人間の脳モデルの架橋反応を達成することができます。外側の輪郭は37℃のクエン酸ナトリウム溶液で完全に溶解され、最終的に実物大の人間の脳モデルが得られました。この方法により、印刷時間が大幅に短縮され、材料が節約され、コストが削減されます。同時に、短い針を使用することで、細胞押し出し時のせん断応力を効果的に低減できるため、将来的には細胞を含む実物大の人間の脳モデルを印刷するための信頼性の高い方法が提供されます。さらに、脳腫瘍の構造と一致する脳組織パッチを、応答性降伏応力流体で迅速に印刷できます。このパッチは脳組織の機械的特性を模倣しており、将来的には術後の組織回復のための薬剤キャリアとして使用される可能性がある。

この結果は、「多様な用途のための 3D プリントベースのフルスケールの人間の脳」というタイトルで Brain-X (Interdisciplinary Brain Science) に掲載されました。研究グループの博士課程学生であるHua Weijian氏が論文の第一著者であり、Jin Yifei教授が責任著者である。

図 1. a) CT で得られた患者の脳の幾何学的情報。 b) 臨床ニーズ: 1. 術前トレーニング用の実物大の人間の脳モデル、2. 術後修復用の脳組織パッチ。 c) ソリューション: 1. 応答性降伏応力流体サポートバスで脳組織モデルを直接印刷する、2. リバース印刷の考え方に基づく PBE を使用して、フルサイズの人間の脳モデルの製造を実現する。
図2. PBEメカニズムの概略図。
図 3. 印刷されたフルサイズの人間の脳モデルとパッチ構造。
詳細については、公式ウェブサイトをご覧ください：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/brx2.5

Weijian Hua、Cheng Zhang、Lily Raymond、Kellen Mitchell、Lai Wen、Ying Yang、Danyang Zhao、Shu Liu、Yifei Jin。多様な用途に向けた3Dプリントベースのフルスケールの人間の脳。Brain-X 2023、e5。https://doi.org/10.1002/brx2.5。

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