有史以来第一个活体3d打印动脉瘤

大脑动脉瘤大约每50个美国人中就有一个会受到影响，并可能导致严重的医疗紧急情况，包括中风、脑损伤和突发性死亡。现有的治疗方案有限，而且往往是侵入性的，而且手术结果可以因人而异。

但多亏了劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员及其外部合作者，医生们或许能够改进现有的治疗方法并开发出新的个性化治疗方法。该团队包括杜克大学和得克萨斯A&M的科学家，是第一个以生产为生的团队，打印的动脉瘤在人体外，对其进行医疗操作，观察其反应和愈合情况，就像在实际人脑中一样。

生物加工一个由工程师William“Rick”Hynes和Monica Moya领导的LLNL团队通过3D打印人脑细胞血管，在体外复制动脉瘤。海恩斯对印刷的动脉瘤进行了血管内修复手术——将导管插入动脉瘤新利18官方血管L并在动脉瘤囊内紧紧包裹铂线圈。在包裹治疗后，研究人员将血浆引入动脉瘤，并观察线圈所在位置形成的血块，使其与流体流动隔绝。研究人员还能够观察“术后”情况血管内皮细胞的愈合过程。

LLNL的科学家说，当该平台与计算机建模相结合时，代表着根据个体的血管几何形状开发针对患者的动脉瘤护理的重要一步，血压以及其他因素，并有助于克服生物医学工程的最大障碍之一——新的外科技术和技术从实验室过渡到临床所需的时间。

该项目的主要研究者莫亚说：“虽然有很多有希望的治疗方案，但有些还有很长的路要走。”。“动物模型不一定是试验这些方法的最佳方式，因为它们缺乏对治疗效果的直接观察，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试验平台可以帮助促进新的治疗。如果我们能用这些设备尽可能多地复制动脉瘤，我们可能会p加速这些产品进入临床，基本上为患者提供更好的治疗选择。”

脑动脉瘤是由动脉壁变弱引起的，其特征是膨胀或者大脑中的血管膨胀，如果破裂可能会致命。一种常见的治疗方法是外科“夹闭”——将一个金属夹固定在动脉瘤的底部，以引导血流并防止其破裂。这种手术具有很强的侵入性，需要外科医生打开颅骨，露出大脑。在某些情况下，例如当动脉瘤位于大脑中无法触及的区域时，治疗甚至不是一种选择。

一种更常见、侵入性更小的治疗方法是血管内金属线圈法，外科医生将一根细金属导管插入腹股沟的动脉，向上穿过身体，进入动脉瘤，用线圈或支架填充它，导致它凝结。血管内壁的内皮生长在凝结的栓子上，将动脉瘤与其他脉管组织隔开。研究人员说，“盘绕”的缺点是，成功很大程度上取决于多种因素，包括病人血管的几何形状，每个人的血管形状都不同。

为了消除对动脉瘤治疗的一些猜测，最初提出该项目的首席研究员海恩斯意识到，研究人员需要一种方法来验证更具预测性的结果三维模型That考虑了患者的几何结构。海恩斯说，利用人体细胞的生物打印技术，研究人员可以创建与计算机模型相同的动脉瘤干预的生物学相关实验模型，以便准确、方便地验证这些模型。“我们研究了这个问题，并认为如果我们能够将计算建模和实验方法结合起来，也许我们可以想出一种更确定的方法来治疗动脉瘤或选择最适合患者的治疗方法，”Hynes说，他是该项目的第一年负责人。“现在，我们可以开始构建个性化模型的框架，外科医师可以使用该框架来确定治疗动脉瘤的最佳方法。”

海恩斯说，LLNL正在采取“三管齐下的方法”，与前LLNL科学家邓肯·梅特兰（Duncan Maitland）和阿曼达·兰德斯（Amanda Randles）合作。邓肯·梅特兰领导着德克萨斯a&M的一个生物医学工程小组，还领导着一家开发用于治疗动脉瘤的实验性形状记忆线圈的公司，哈维曾是实验室计算科学家，现任杜克大学助理教授，他开发了一种模拟血液流动的代码。使用该设备，实验室研究人员能够验证Randles的流动动力学模型，验证在现实世界中观察到的结果。在低流速下，研究人员几乎看不到血液流入动脉瘤，而流速的增加，如人激动或神经紧张时，会导致动脉瘤内血液循环流动，这在真正的脑动脉瘤中是可以预期的。

为了创造生物打印动脉瘤，海因斯和他的团队首先用一种“牺牲”墨水打印血管几何形状，周围是一种蛋白质水凝胶。他们冷却系统以溶解墨水，留下了血管的形状。然后，他们引入了人类大脑内皮细胞，这些细胞覆盖在通道上，形成了真正的血管和动脉瘤。海因斯用微导管和铂线圈进行了盘绕过程，这被认为是首次在人造活体组织上进行的外科干预。手术后8天，研究人员观察到内皮细胞开始自我愈合。

通过将3D打印平台与计算模型相结合，研究人员表示，他们已经开发出一种潜在的工具，可供外科医生预先选择充分填充动脉瘤所需的最佳线圈类型，以获得最佳治疗效果，并在对人类患者进行尝试之前执行程序的“测试运行”。海恩斯说：“实际上，临床医生可以直接查看某人的脑部扫描，通过建模软件运行，该软件可以在治疗前显示流体动力学。”。“它还应该能够模拟这种治疗，并允许医生缩小到某种类型的线圈或包装体积，以确保达到最佳效果。”

大多数动脉瘤的计算模型都是通过诱导动脉瘤动物并对其进行手术来验证的。研究人员解释说，动物模型是不完美的，因为很难收集它们的数据，而且它们的血管几何形状也不可复制。科学家还使用非生物设备，如3D打印硅胶管，可以控制血管几何形状，但结果可能无法反映人类生物学。

研究人员说，与动物模型不同，LLNL的平台允许科学家直接测量血管和动脉瘤内的流体动力学，同时保持生物相关性，这是验证计算机模型的最佳选择。莫亚说：“这是一个硅模型的理想平台，因为我们可以进行流量测量，如果你在动物身上进行测量，这将是非常困难的。”。“令人兴奋的是，这个平台模拟了血管顺应性和脑组织的机械刚度。它也足够坚固，可以处理卷取过程。你可以看到血管扩张和移动，但它能够承受这个过程，就像你在体内一样。这使得它非常适合用作训练平台。”供外科医生使用的平台或作为栓塞装置的体外测试系统。”

研究人员表示，除了针对特定患者的护理和作为手术培训的试验台，该平台还可能提高对基础生物学和术后愈合反应的理解。

虽然早期的结果很有希望，但研究人员警告说，在该平台在临床环境中应用之前，还有很长的路要走。该团队的下一步是将LLNL计算工程师和论文合著者Jason Ortega开发的二维凝血模型与Randles的三维流体动力学模型结合起来，以模拟血凝块如何在三维中对线圈做出反应。他们的目标是将传统的裸线圈与梅特兰开发的实验性形状记忆聚合物线圈进行比较，这种聚合物线圈设计用于在动脉瘤内部扩展，以促进更好的凝血和提高病人的治疗效果。