使用生物3D打印技术在3D流体动力学模型相结合

在美国，大约每50人中就有人因大脑动脉壁弱化而导致的脑动脉瘤，并且以血管膨大为特征，血管破裂会导致脑损伤，中风甚至死亡。来自劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL），杜克大学和得克萨斯州A＆M的一组研究人员一直在努力改善当前的外科手术程序，并使它们更具患者特异性。这些科学家使用生物3D打印技术在人体外创建了第一个活体动脉瘤，然后执行了医疗程序，观察它对治疗的反应并像真正的大脑一样愈合。

该团队在《生物制造》杂志上发表了一篇关于他们工作的论文。“在这里，我们使用明胶-纤维蛋白水凝胶开发了3D打印的带有动脉瘤的血管化组织结构，其内血管壁播有人脑微血管内皮细胞（hCMEC）。 hCMECs容易在整个血管壁（包括动脉瘤壁）周围表现出细胞附着，扩散和融合。此外，该体外平台可直接通过粒子图像测速仪进行流量测量，从而能够直接评估血管流动动力学，以与3D计算流体动力学模型进行比较。”

体外活体脑动脉瘤。（a）3D打印的动脉瘤生物反应器的图示。

（b）灌注红色荧光珠的体外动脉瘤血管结构，表明在牺牲墨水撤离后形成了专利血管。

“尽管有很多有前途的治疗选择，但有些还有很长的路要走。 LLNL工程师兼首席研究员莫妮卡·莫亚（Monica Moya）表示，动物模型不一定是尝试这些选择的最佳方法，因为它们无法直接观察到治疗效果，并且动脉瘤的几何形状无法控制。 “拥有这个强大的人体体外测试平台可以帮助促进新的治疗方法。如果我们能够使用这些设备尽可能多地复制动脉瘤，我们可能会帮助将其中一些产品加速进入临床，并从根本上为患者提供更好的治疗选择。”

LLNL团队使用3D打印在体外复制动脉瘤并对其进行了血管内修复程序，将导管插入血管中，并将铂金线圈紧密地包装在动脉瘤囊内。他们将血浆引入动脉瘤，并观察到线圈所在的地方有血块形成。绿色区域表示内皮细胞，红色区域表示形成的血块。 LLNL Elisa Wasson摄

粒子图像测速（PIV）分析和3D计算流动模型仿真。 （a）（上）动脉瘤圆顶后部的PIV测量显示，在300 µl min-1的流速下没有可检测到的流量。 （中）在z = -0.66 mm时，具有相同几何形状和流速的3D流动模拟。 （下图）以相同的流速用2x物镜捕获的母子血管内的PIV测量值。 （b）（上图）PIV测量值聚集在动脉瘤穹顶的背面，显示出圆形的流动模式，并以4倍物镜以20 ml min-1的流速捕获。 （下图）对相同几何形状和流速的模拟，表明流体运动仅在高流速下在圆顶内发生。 （c）从通过共聚焦显微镜收集的图像堆栈构建的印刷活体动脉瘤的高保真几何重建。

动脉瘤印刷血管的内皮化。（a）灌注培养7天后肌动蛋白染色的内皮细胞的共聚焦图像。 （b）在动脉瘤圆顶内肌动蛋白染色的内皮（绿色）的特写照片，表明完全融合的单层生长。

“基本上，临床医生可以从字面上看某人的脑部扫描，并通过建模软件运行它，该软件可以在治疗之前显示流体动力学。 Hynes解释说，它也应该能够模拟该处理方法，并允许从业者缩小到某种类型的线圈或包装体积，以确保获得最佳结果。

在体外动脉瘤内部署血管内裸铂线圈（BPC）介入治疗。 （一）与动脉瘤圆顶双线圈部署的图像。 （b）在从血管内微导管插入BPC期间进行明场监视的显微照片（第一BPC：3 mm×6 cm，第二BPC：2 mm×3 cm）。 （c）在BPC展开和缩回（2 mm×3 cm）之前和之后（d）的人造动脉瘤的最大投影共聚焦图像叠层，其中充满了1 µm红色荧光珠，表明在插入过程中对囊的破坏没有。

血浆凝块形成对BPC在体外活体动脉瘤穹顶内展开的反应。 BPC部署并注入牛血浆后，完整体外动脉瘤的最大投影共聚焦图像堆栈。通过血浆混合物中所含痕量荧光标记的红色人血纤蛋白原的积累，可以看到血块的形成。内皮细胞被肌动蛋白荧光染色为绿色。成像显示动脉瘤囊的血块形成和闭塞，在血管结构的其他部位没有大的血块形成。

LLNL团队表示，这个平台在早期阶段就显示出了希望。他们的下一步是将LLNL计算工程师Ortega创建的2D血液凝结模型与Randles的3D流体动力学模型相结合，以模拟引起动脉瘤的血凝块如何响应3D线圈而形成。