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維也納醫(yī)科大學(xué)(Medical University of Vienna)的 Michael Woletz團(tuán)隊(duì)在ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES上發(fā)表了論文，研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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Α＠纾瑪U(kuò)散成像（dMRI）是一種高潛力的模式，它利用水?dāng)U散常數(shù)的方向變化，這種變化源于局部組織的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)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(guān)的數(shù)據(jù)。不幸的是，復(fù)雜的生物物理過程是各種對比機(jī)制的基礎(chǔ)，使得驗(yàn)證MRI結(jié)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(yàn)證限制了其在臨床環(huán)境中的應(yīng)用。對于更方法，如旨在捕捉大腦白質(zhì)（WM）通路3D細(xì)節(jié)的白質(zhì)纖維束成像，更是如此。

人腦白質(zhì)中單個(gè)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(gè)軸突。有多種方法可以對dMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行纖維束成像。這些方法可以以確定性的方式進(jìn)行，例如，沿著可以擬合到每個(gè)體素dMRI數(shù)據(jù)的擴(kuò)散張量的長軸，或者依靠概率方法。然而，如果沒有適當(dāng)?shù)尿?yàn)證機(jī)會(huì)，很難支持或反對纖維束成像流程的輸出。此外，對可重復(fù)性研究不斷增長的需求，要求有方法和指導(dǎo)方針來實(shí)現(xiàn)迄今為止已證明的更好的可重復(fù)性。

驗(yàn)證工作需要一個(gè)“黃金標(biāo)準(zhǔn)"，但建立這樣的黃金標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，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(jié)果被視為黃金標(biāo)準(zhǔn)。這種侵入性驗(yàn)證工作顯然存在倫理限制、安全問題和實(shí)踐挑戰(zhàn)，因此需要另一種方法：設(shè)計(jì)和組裝無生命的測試對象（也稱為模型）。鑒于這些模型的細(xì)節(jié)可以由實(shí)驗(yàn)者調(diào)整，并且事先以高精度已知，它們不僅可以被視為黃金標(biāo)準(zhǔn)，甚至可以被視為基本事實(shí)。

組裝這樣的模型具有挑戰(zhàn)性，它們通常要么缺乏體內(nèi)組織的復(fù)雜性，要么其微觀結(jié)構(gòu)細(xì)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(zhì)區(qū)域，傳統(tǒng)上認(rèn)為軸突“平行"運(yùn)行并具有恒定的橫截面積，但最近的證據(jù)表明并非如此。Andersson等人（2020）的研究表明，單個(gè)軸突彼此之間存在相當(dāng)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(jié)構(gòu)細(xì)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(chǎn)生更逼真的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，但由此產(chǎn)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(shù)雙光子聚合（2PP）可以同時(shí)克服制造模型中的這些缺點(diǎn)。在增材制造的幫助下，已經(jīng)為構(gòu)建3D仿生支架設(shè)定了新的標(biāo)準(zhǔn)。2PP的多功能性使其能夠以高精度和復(fù)雜性創(chuàng)建對象，同時(shí)提供高度的設(shè)計(jì)自由度。

2PP是增材制造領(lǐng)域中的一種強(qiáng)大工具，已成為微米和納米級制造的先進(jìn)方法，具有廣泛的應(yīng)用。2PP利用雙光子吸收的非線性光學(xué)效應(yīng)，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(shí)間為代價(jià)的。因此，制造結(jié)構(gòu)的整體尺寸通常在每個(gè)維度上不超過幾百微米。最近在硬件方面的進(jìn)步與放大策略相結(jié)合，可以大大提高吞吐量，從而達(dá)到中觀和宏觀尺度，同時(shí)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(chǎn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。作為原理驗(yàn)證，我們使用基于可調(diào)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(shè)計(jì)、打印并驗(yàn)證了兩個(gè)具有不同直通道排列的模型，一個(gè)模仿平行的纖維排列，另一個(gè)模仿交叉的軸突。除了相對較大的結(jié)構(gòu)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(yàn)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(shí)際纖維方向的測試。在更復(fù)雜的模型中進(jìn)行類似的工作，這些模型更符合體內(nèi)纖維的實(shí)際微觀結(jié)構(gòu)細(xì)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(chǎn)的結(jié)構(gòu)后，我們提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明我們的3D打印模型可用于MRI數(shù)據(jù)和廣泛使用的圖像處理流程。

相關(guān)文獻(xiàn)及圖片出處

doi.org/10.1002/admt.202300176

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