Вчені створили перший у світі 3D-друкований «фантом мозку»

Нова модель має потенціал для прискорення досліджень нейродегенеративних захворювань. У рамках спільного проекту між MedUni Vienna та TU Wien був розроблений перший у світі надрукований на 3D-принтері «мозковий фантом», який моделюється за структурою волокон мозку та може бути зображений за допомогою спеціального варіанту магнітно-резонансної томографії (dMRI).

Як показала в дослідженні наукова група під керівництвом MedUni Vienna та TU Wien, ці моделі мозку можна використовувати для просування досліджень нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера, Паркінсона та розсіяний склероз. Дослідницька робота була опублікована в журналі Advanced Materials Technologies.

Магнітно-резонансна томографія (МРТ) є широко поширеним методом діагностики, який в основному використовується для дослідження мозку. За допомогою МРТ можна вивчити структуру і функції головного мозку без використання іонізуючого випромінювання. У спеціальному варіанті МРТ, дифузійно-зваженій МРТ (dMRI), також можна визначити напрямок нервових волокон у мозку. Однак правильно визначити напрямок нервових волокон у місцях перетину пучків нервових волокон дуже важко, оскільки там перекриваються нервові волокна різного напрямку.

Для подальшого вдосконалення процесу та методів аналізу та оцінки тестів міжнародна команда у співпраці з Віденським медичним університетом і Віденським ТУ розробила так званий «фантом мозку», який був виготовлений за допомогою процесу 3D-друку з високою роздільною здатністю.

Маленький куб з мікроканалами

Дослідники з Віденського медичного університету як експерти МРТ і TU Wien як експерти з 3D-друку тісно співпрацювали з колегами з Цюріхського університету та Університетського медичного центру Гамбург-Еппендорф. Ще в 2017 році в Віденському технічному університеті був розроблений двофотонний полімеризаційний принтер, який забезпечує розширений друк.

У ході цього спільно з Віденським медичним університетом і Цюріхським університетом була також проведена робота над фантомами мозку як прикладом використання. Отриманий патент є основою для фантома мозку, який зараз розроблено та контролюється командою підтримки досліджень і передачі TU Wien.

Візуально цей фантом не має багато спільного з реальним мозком. Він значно менший і має форму куба. Усередині нього є надзвичайно тонкі, заповнені водою мікроканали розміром з окремі черепні нерви. Діаметр цих каналів у п’ять разів менший за людську волосину. Щоб імітувати тонку мережу нервових клітин у мозку, дослідницька група на чолі з першими авторами Майклом Волецом (Центр медичної фізики та біомедичної інженерії, MedUni Vienna) і Франціскою Халупа-Гантнер (дослідницька група 3D-друку та біофабрикації, TU Wien ) використав досить незвичайний метод 3D-друку: двофотонну полімеризацію.

Цей метод високої роздільної здатності в основному використовується для друку мікроструктур у діапазоні нанометрів і мікрометрів, а не для друку тривимірних структур у діапазоні кубічних міліметрів. Щоб створити фантоми відповідного розміру для dMRI, дослідники Віденського технічного університету працювали над розширенням процесу 3D-друку та дозволили друкувати більші об’єкти з деталями високої роздільної здатності. Високомасштабований 3D-друк надає дослідникам дуже хороші моделі, які – при перегляді за допомогою dMRI – дають змогу призначити різні нервові структури.

Майкл Волец порівнює цей підхід до покращення діагностичних можливостей dMRI з тим, як працює камера мобільного телефону: «Ми бачимо найбільший прогрес у фотографії за допомогою камер мобільного телефону не обов’язково в нових кращих об’єктивах, а в програмному забезпеченні, яке покращує зроблені зображення. . Подібна ситуація з dMRI: використовуючи нещодавно розроблений мозковий фантом, ми можемо набагато точніше налаштувати програмне забезпечення для аналізу та таким чином покращити якість виміряних даних і точніше реконструювати нейронну архітектуру мозку».

Програмне забезпечення для аналізу фантомних тренувань мозку

Тому автентичне відтворення характерних нервових структур у мозку є важливим для «навчання» програмного забезпечення аналізу dMRI. Використання 3D-друку дозволяє створювати різноманітні та складні конструкції, які можна змінювати та налаштовувати. Таким чином, фантоми мозку зображують ділянки в мозку, які генерують особливо складні сигнали, і тому їх важко проаналізувати, наприклад перетинання нервових шляхів.

Щоб відкалібрувати програмне забезпечення для аналізу, фантом мозку досліджується за допомогою dMRI, а виміряні дані аналізуються як у реальному мозку. Завдяки 3D-друку дизайн фантомів точно відомий, а результати аналізу можна перевірити. MedUni Vienna та TU Wien змогли продемонструвати, що це працює як частина спільної дослідницької роботи. Розроблені фантоми можна використовувати для вдосконалення dMRI, що може принести користь плануванню операцій і дослідженням нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера, Паркінсона та розсіяний склероз.

Незважаючи на перевірку концепції, команда все ще стикається з проблемами. Найбільшою проблемою на цей час є розширення методу: «Висока роздільна здатність двофотонної полімеризації дає змогу друкувати деталі в мікро- та нанометровому діапазоні, а отже, дуже підходить для зображення черепних нервів. Одночасно, для друку куба розміром кілька кубічних сантиметрів за допомогою цієї техніки потрібно відповідно багато часу», — пояснює Чалупа-Гантнер. «Тому ми прагнемо не лише розробити ще більш складні конструкції, але й далі оптимізувати сам процес друку».