يمكن أن تحسن الطباعة ثلاثية الأبعاد للأوعية الدموية في الدماغ بالسيليكون جراحة الأعصاب وتخصيصها – تُظهر تقنية جديدة كيف

يمكن لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة باستخدام السيليكون أن تصنع نماذج دقيقة للأوعية الدموية في دماغك ، مما يمكّن جراحي الأعصاب من التدريب بمحاكاة أكثر واقعية قبل إجراء العملية ، وفقًا لأبحاثنا المنشورة مؤخرًا.

يمارس العديد من جراحي الأعصاب كل عملية جراحية قبل دخولهم غرفة العمليات بناءً على نماذج لما يعرفونه عن دماغ المريض. لكن النماذج الحالية التي يستخدمها جراحو الأعصاب للتدريب لا تحاكي الأوعية الدموية الحقيقية بشكل جيد. إنها توفر ردود فعل غير واقعية عن طريق اللمس ، وتفتقر إلى التفاصيل الهيكلية الصغيرة ولكن المهمة ، وغالبًا ما تستبعد المكونات التشريحية الكاملة التي تحدد كيفية تنفيذ كل إجراء. يمكن للنسخ المتماثلة الواقعية والشخصية لأدمغة المرضى أثناء عمليات المحاكاة السابقة للجراحة أن تقلل من الخطأ في الإجراءات الجراحية الحقيقية.

ومع ذلك ، يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد أن تصنع نسخًا متماثلة ذات ملمس ناعم ودقة هيكلية يحتاجها الجراحون.

عادةً ما يُنظر إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد على أنها عملية تتضمن وضع طبقة تلو الأخرى من البلاستيك المصهور الذي يتماسك كهيكل ذاتي الدعم مبني. لسوء الحظ ، لا تذوب العديد من المواد اللينة وتعيد ترسيخها بالطريقة التي تعمل بها الخيوط البلاستيكية التي تستخدمها الطابعات ثلاثية الأبعاد عادةً. يحصل المستخدمون على لقطة واحدة فقط بمواد ناعمة مثل السيليكون – يجب طباعتها وهي في حالة سائلة ثم تصلب بشكل لا رجعة فيه.

تشكيل السوائل ثلاثية الأبعاد

كيف تصنع شكلًا معقدًا ثلاثي الأبعاد من سائل دون أن ينتهي بك الحال ببركة أو نقطة متدلية؟

طور الباحثون نهجًا واسعًا يسمى الطباعة ثلاثية الأبعاد المضمنة لهذا الغرض. باستخدام هذه التقنية ، يتم ترسيب “الحبر” داخل حمام من مادة داعمة ثانية مصممة للتدفق حول فوهة الطباعة وحبس الحبر في المكان مباشرةً بعد تحرك الفوهة بعيدًا. يتيح ذلك للمستخدمين إنشاء أشكال معقدة من السوائل عن طريق حبسهم في مساحة ثلاثية الأبعاد حتى يحين الوقت لترسيخ الهيكل المطبوع. كانت الطباعة ثلاثية الأبعاد المضمنة فعالة في هيكلة مجموعة متنوعة من المواد اللينة مثل الهلاميات المائية والجسيمات الدقيقة وحتى الخلايا الحية.

ومع ذلك ، ظلت الطباعة باستخدام السيليكون تمثل تحديًا. السيليكون السائل هو زيت ، في حين أن معظم مواد الدعم تعتمد على الماء. الزيت والماء لهما توتر بيني مرتفع ، وهو القوة الدافعة وراء اتخاذ قطرات الزيت أشكالًا دائرية في الماء. تتسبب هذه القوة أيضًا في تشوه هياكل السيليكون المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، حتى في وسط الدعم.

والأسوأ من ذلك ، أن هذه القوى البينية تدفع ميزات السيليكون ذات القطر الصغير لتقسيمها إلى قطرات أثناء طباعتها. لقد تم إجراء الكثير من الأبحاث لصنع مواد سيليكون يمكن طباعتها بدون دعم ، ولكن هذه التعديلات الثقيلة تعمل أيضًا على تعديل الخصائص التي يهتم بها المستخدمون ، مثل مدى نعومة ومرونة السيليكون.

سيليكون بطباعة ثلاثية الأبعاد مع AMULIT

بصفتنا باحثين يعملون في واجهة فيزياء المادة الناعمة والهندسة الميكانيكية وعلوم المواد ، قررنا معالجة مشكلة التوتر البيني من خلال تطوير مادة داعمة مصنوعة من زيت السيليكون.

لقد اعتقدنا أن معظم أحبار السيليكون ستكون مشابهة كيميائيًا لمادة دعم السيليكون الخاصة بنا ، وبالتالي تقليل التوتر البيني بشكل كبير ، ولكنها أيضًا مختلفة بما يكفي لتبقى منفصلة عند وضعها معًا للطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد أنشأنا العديد من مواد الدعم المرشحة ولكن وجدنا أن أفضل طريقة هي صنع مستحلب كثيف من زيت السيليكون والماء. يمكن للمرء أن يفكر في الأمر مثل المايونيز الصافي ، المصنوع من قطرات صغيرة معبأة من الماء في سلسلة متصلة من زيت السيليكون. نسمي هذه الطريقة التصنيع الإضافي عند التوتر السطحي المنخفض للغاية ، أو AMULIT.

من خلال وسيط دعم AMULIT الخاص بنا ، تمكنا من طباعة السيليكون الجاهز بدقة عالية ، وخلق ميزات يصل قطرها إلى 8 ميكرومتر (حوالي 0.0003 بوصة). الهياكل المطبوعة قابلة للتمدد ومتينة مثل نظيراتها التقليدية المقولبة.

مكنتنا هذه القدرات من طباعة نماذج دقيقة ثلاثية الأبعاد للأوعية الدموية في دماغ المريض بناءً على مسح ثلاثي الأبعاد بالإضافة إلى نموذج صمام قلب يعمل على أساس متوسط ​​التشريح البشري.

طباعة سيليكون ثلاثية الأبعاد في مجال الرعاية الصحية

السيليكون عنصر حاسم في عدد لا يحصى من المنتجات ، من السلع الاستهلاكية اليومية مثل أدوات الطهي ولعب الأطفال إلى التقنيات المتقدمة في الإلكترونيات والفضاء وصناعات الرعاية الصحية.

تصنع منتجات السيليكون عادةً عن طريق صب أو حقن السيليكون السائل في قالب وإزالة الصب بعد التصلب. إن تكلفة وصعوبة تصنيع قوالب عالية الدقة تحد من الشركات المصنعة للمنتجات ذات الأحجام والأشكال والتصاميم القليلة المحددة مسبقًا. تعد إزالة هياكل السيليكون الدقيقة من القوالب دون إتلاف حاجزًا إضافيًا ، وتزداد عيوب التصنيع عند تشكيل الهياكل شديدة التعقيد.

قد يسمح التغلب على هذه التحديات بتطوير تقنيات متقدمة قائمة على السيليكون في صناعة الرعاية الصحية ، حيث يمكن أن تؤدي عمليات الزرع الشخصية أو تقليد الهياكل الفسيولوجية الخاصة بالمريض إلى تغيير الرعاية.