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桌面3D打印机用于血液动力学的3D生物打印机模型的制作

  3D打印技术在生物医学研究和工业界有着非常广泛的应用,如芯片实验室工具、手术计划、药物输送等。最近米尼奥大学和布拉干萨理工学院的葡萄牙研究人员研究了3D打印机在生物模型中的应用,并发表了《用于生物流体力学应用的低成本3D打印生物模型 》,这篇论文主要研究了3D打印技术在生物模型上的应用,讨论了桌面3D打印机用于血液动力学(与体内器官和组织内血液流动有关)的3D生物模型的制作实验流程研究。

 

  论文表明,熔融沉积成型(FDM)工艺结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制成型是一种很有前途的方法,可以生产价格适中的生物医学设备,从而在宏观和微观层面进行血液动力学研究。

 

  生物模型是物理或虚拟的设备,它们复制生物结构的形式或几何形状,如动脉。它们可用于进行体外和数值实验,研究人员介绍了桌面3D打印机上制作的聚二甲基硅氧烷(PDMS)生物模型,结合PDMS复制成型,以完成体外血流研究在微观和宏观层面。

 

  “颅内动脉瘤模型和微器件的三维模型是通过将热塑性材料丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)逐层通过挤出喷嘴沉积而制成的,”研究人员在论文中写道。“这种方法的优点是成本低,速度快,并且能够应用不同种类的热塑性材料,如ABS,聚乳酸(PLA)和尼龙。”

 

  在宏观流动研究中,CT(TC)扫描用于3D打印(TDP)PDMS模型的人颈动脉几何形状。扫描IP软件用于分割TC图像,文件转换为STL。然后将3D打印的模型放入模塑盒中,并将生物相容的PDMS倒在母模上并固化。冷却后,将模型从“连接入口管和出口管的模箱”中取出。

 

“对于PDMS微流体装置(尺寸从5毫米到0.3毫米)进行微观尺度的流动研究,3D模型是通过PDDM复制成型结合的FDM工艺获得的。”团队解释说。“PDMS(Sylgard®186,Dow Corning)也是通过将预聚物与固化剂以10:1的比例混合并浇注到放在培养皿底部的印刷模型上并在80°C的烘箱中固化而制备的。将另一种PDMS(20:1比例)的混合物在载玻片上以5000rpm旋涂2分钟(VTC-100 Vacuum Spin Coater),并在80℃的烘箱中固化20分钟。通过使用刀片,切断微通道,并且通过使用流体分配尖端完成流体的入口/出口孔。最后,通过使用涂覆的载玻片密封通道。


【图2 3D打印模型和PDMS透明流动通道】

 

  该团队随后介绍了其他研究人员的工作概况,重点是使用PDMS 3D模型进行宏观流动研究,例如有和没有动脉瘤的3D打印颈动脉模型以及FDM 3D打印颅内动脉瘤模型的壁扩展评估。

 

  “通过TDP技术制作的3D模型获得的PDMS透明模型,这足以证明是一种有效的方法,通过解剖学上真实的人体颈动脉复制品进行体外血流研究,有或没有动脉瘤,”他们解释了前一项研究。

 

  通过光学技术测量壁的变形性可以了解动脉瘤机械行为。研究人员已经开发出一种能够通过实验测量体外颅内动脉瘤模型的位移场的方法。该方法是在PDMS中制造的动脉瘤体外模型的组合,以及电子散斑干涉测量(ESPI)技术的使用。

 

第二项研究表明,壁厚对于引发动脉瘤生长和后期破裂非常重要,3D打印可以帮助验证动脉瘤的数值模拟,并找到导致破裂的更多细节。

 

             

  【图5(a)Solidworks CAD软件中绘制的模型和本研究中测试的尺寸,以及(b)Big Builder和3D打印机中3D打印的微装置主模型】

 

  研究人员还讨论了使用3D打印微器件进行的几项实验性体外微血流研究,这些研究旨在更好地了解微血管和生物医学微器件中的血流现象。他们指出,采用昂贵设备的软光刻方法是制造微流体装置的最常用方法,这就是“探索低成本制造技术的重要性”。

 

  他们写道:“桌面3D打印机已经显示出制造1mm左右通道的潜力,但很少有研究探索低成本3D打印机制造微流体设备的能力。” “在目前的工作中,我们通过使用基于FDM工艺的台式打印机测试了几个微通道的制造,最小可达0.3 mm。”

 

  他们用3D打印机打印了几个ABS主模型的微通道以进行体外血流研究,并且还制作了来自3D打印主模具的PDMS流动装置,以研究在微循环期间发生的无细胞层(CFL)血流现象。

 

“根据从所有测试的PDMS流量装置获得的结果,我们仅在由3D打印机制造的PDMS装置上观察到清晰的CFL,高度为0.1mm。图6清楚地表明,在0.1毫米的高度,存在在微通道壁周围产生细胞耗尽区的趋势。”研究人员写道。“相比之下,0.5和1毫米的高度没有观察到这种趋势。尽管这些结果已经证明可以在3D打印机生产的微通道内形成CFL,但是需要进一步减小流动通道的宽度以获得具有更接近于几何形状的微血管。”


     

【图6由3D打印机制造的PDMS微流体装置的体外血流可视化】

 

  他们对3D打印设备与PDMS模具相结合的结果感到满意。研究人员总结道:“我们相信这种组合是一种很有前景的技术,可以通过解剖模型进行更现实的体外血液研究,从而提高我们目前对心血管疾病起源和发展的认识。”

  原创文章url:http://www.szcxsw.com/show-28-468.html

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