在美國，大約每50人中就有人因大腦動脈壁弱化而導(dǎo)致的腦動脈瘤，并且以血管膨大為特征，血管破裂會導(dǎo)致腦損傷，中風(fēng)甚至死亡。來自勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL），杜克大學(xué)和得克薩斯州A＆M的一組研究人員一直在努力改善當(dāng)前的外科手術(shù)程序，并使它們更具患者特異性。這些科學(xué)家使用生物3D打印技術(shù)在人體外創(chuàng)建了第一個活體動脈瘤，然后執(zhí)行了醫(yī)療程序，觀察它對治療的反應(yīng)并像真正的大腦一樣愈合。

該團隊在《生物制造》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于他們工作的論文。“在這里，我們使用明膠-纖維蛋白水凝膠開發(fā)了3D打印的帶有動脈瘤的血管化組織結(jié)構(gòu)，其內(nèi)血管壁播有人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞（hCMEC）。 hCMECs容易在整個血管壁（包括動脈瘤壁）周圍表現(xiàn)出細(xì)胞附著，擴散和融合。此外，該體外平臺可直接通過粒子圖像測速儀進行流量測量，從而能夠直接評估血管流動動力學(xué)，以與3D計算流體動力學(xué)模型進行比較?！?/span>

體外活體腦動脈瘤。（a）3D打印的動脈瘤生物反應(yīng)器的圖示。

（b）灌注紅色熒光珠的體外動脈瘤血管結(jié)構(gòu)，表明在犧牲墨水撤離后形成了專利血管。

“盡管有很多有前途的治療選擇，但有些還有很長的路要走。 LLNL工程師兼首席研究員莫妮卡·莫亞（Monica Moya）表示，動物模型不一定是嘗試這些選擇的最佳方法，因為它們無法直接觀察到治療效果，并且動脈瘤的幾何形狀無法控制。 “擁有這個強大的人體體外測試平臺可以幫助促進新的治療方法。如果我們能夠使用這些設(shè)備盡可能多地復(fù)制動脈瘤，我們可能會幫助將其中一些產(chǎn)品加速進入臨床，并從根本上為患者提供更好的治療選擇?！?/span>

LLNL團隊使用3D打印在體外復(fù)制動脈瘤并對其進行了血管內(nèi)修復(fù)程序，將導(dǎo)管插入血管中，并將鉑金線圈緊密地包裝在動脈瘤囊內(nèi)。他們將血漿引入動脈瘤，并觀察到線圈所在的地方有血塊形成。綠色區(qū)域表示內(nèi)皮細(xì)胞，紅色區(qū)域表示形成的血塊。 LLNL Elisa Wasson攝

粒子圖像測速（PIV）分析和3D計算流動模型仿真。 （a）（上）動脈瘤圓頂后部的PIV測量顯示，在300 μl min-1的流速下沒有可檢測到的流量。 （中）在z = -0.66 mm時，具有相同幾何形狀和流速的3D流動模擬。 （下圖）以相同的流速用2x物鏡捕獲的母子血管內(nèi)的PIV測量值。 （b）（上圖）PIV測量值聚集在動脈瘤穹頂?shù)谋趁妫@示出圓形的流動模式，并以4倍物鏡以20 ml min-1的流速捕獲。 （下圖）對相同幾何形狀和流速的模擬，表明流體運動僅在高流速下在圓頂內(nèi)發(fā)生。 （c）從通過共聚焦顯微鏡收集的圖像堆棧構(gòu)建的印刷活體動脈瘤的高保真幾何重建。

動脈瘤印刷血管的內(nèi)皮化。（a）灌注培養(yǎng)7天后肌動蛋白染色的內(nèi)皮細(xì)胞的共聚焦圖像。 （b）在動脈瘤圓頂內(nèi)肌動蛋白染色的內(nèi)皮（綠色）的特寫照片，表明完全融合的單層生長。

“基本上，臨床醫(yī)生可以從字面上看某人的腦部掃描，并通過建模軟件運行它，該軟件可以在治療之前顯示流體動力學(xué)。 Hynes解釋說，它也應(yīng)該能夠模擬該處理方法，并允許從業(yè)者縮小到某種類型的線圈或包裝體積，以確保獲得最佳結(jié)果。

在體外動脈瘤內(nèi)部署血管內(nèi)裸鉑線圈（BPC）介入治療。 （一）與動脈瘤圓頂雙線圈部署的圖像。 （b）在從血管內(nèi)微導(dǎo)管插入BPC期間進行明場監(jiān)視的顯微照片（第一BPC：3 mm×6 cm，第二BPC：2 mm×3 cm）。 （c）在BPC展開和縮回（2 mm×3 cm）之前和之后（d）的人造動脈瘤的最大投影共聚焦圖像疊層，其中充滿了1 μm紅色熒光珠，表明在插入過程中對囊的破壞沒有。

血漿凝塊形成對BPC在體外活體動脈瘤穹頂內(nèi)展開的反應(yīng)。 BPC部署并注入牛血漿后，完整體外動脈瘤的最大投影共聚焦圖像堆棧。通過血漿混合物中所含痕量熒光標(biāo)記的紅色人血纖蛋白原的積累，可以看到血塊的形成。內(nèi)皮細(xì)胞被肌動蛋白熒光染色為綠色。成像顯示動脈瘤囊的血塊形成和閉塞，在血管結(jié)構(gòu)的其他部位沒有大的血塊形成。

LLNL團隊表示，這個平臺在早期階段就顯示出了希望。他們的下一步是將LLNL計算工程師Ortega創(chuàng)建的2D血液凝結(jié)模型與Randles的3D流體動力學(xué)模型相結(jié)合，以模擬引起動脈瘤的血凝塊如何響應(yīng)3D線圈而形成。