浙江大学宁波科创中心吴晶军/谢涛团队《自然·通讯》：可自修复的高仿真器官模型助力手术培训和术前规划

肝脏外科手术复杂，难度极大，随着肝脏手术进入微创和精准时代，手术难度进一步提高。没有完善的术前规划和术中导航，就很难完成一个高质量的精准肝脏手术。建立高仿真的3D打印实物模型导航系统是未来精准手术的趋势。目前，可通过3D打印方法将三维可视化图像转换为实物模型，但只是形似，模量比真实肝脏高1~2个数量级，且无模量差异，仿真度不高。另一方面，3D模型只能用一次，不能够为术者提供多次手术模拟演练，如果切割平面不满意，需要更换全新的3D模型，再进行模拟，费用高，消耗大，无法推广。

基于此，浙江大学宁波科创中心吴晶军/谢涛团队与浙江省肿瘤医院张宇华主任医师合作开发了具有高效室温自修复性能的热塑性弹性体及其光固化3D打印技术。由此得到的肝脏模型具有形状模量高度仿真、可反复切割的特点，非常适合通过反复的手术训练帮助新手医生快速积累临床经验。初步探索性临床试验结果表明，高仿真肝脏模型可以提高肝脏手术的安全性，在临床实践中具有很好的应用价值。同时，肝脏模型的材料及制作成本非常低，有利于推广。相关工作以“3D printing of self-healing personalized liver models for surgical training and pre- operative planning”发表在《Nature Communications》。浙江大学博士生卢亚辉和浙江省肿瘤医院陈星医生为论文的共同第一作者。浙江大学宁波科创中心吴晶军副研究员和浙江省肿瘤医院张宇华主任医师为论文的共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划和自然科学基金的支持。

材料设计和性能

制作高仿真肝脏模型的弹性体树脂的设计需同时满足以下特点：模量/粘弹性等力学性能可调、高效的室温自修复性能、快速光固化、无需复杂化学成本低。我们从前期热塑性树脂光固化3D打印工作（Adv. Mater. 2019, 31, 1903970）中得到启发，选择两种常见单体ACMO和mPEGA构成光固化树脂，能够实现高精度光固化3D打印。通过对固化得到的ACEG弹性体的模量、粘弹性的系统表征发现该材料能较好地模拟肝脏的生物力学特征，这对于打印高仿真的肝脏模型用于手术训练和术前训练至关重要。高效的室温自修复性能来源于高分子链段缠结和氢键。由于不含有化学交联剂，线性的高分子拓扑结构更有利于链段的自由运动及相应的自修复行为。同时，选择自上而下的DLP工艺，它提供了更好的打印稳定性，特别是对于大尺寸的低模量弹性体。

图1. 3D打印自修复弹性体设计及其力学性能

作者选择ACEG-0.50进行进一步的研究，因为它的模量为140 kPa，与肝脏的模量相似。对ACEG-0.50弹性体的自修复性能进行了定性和定量研究。将原始样品完全切割成两部分，然后在环境条件下将切割面连接并修复。当弹性体修复5 min时，其模量、抗拉强度和断裂应变的修复效率均可超过50%，愈合10 min后可达到80%。愈合30 min后，其应力-应变曲线与原始试样相似。多次切割修复循环后，弹性体的自修复效率没有明显下降。

图2. 高效室温自修复性能

肝脏模型制作

自修复肝脏模型的典型制作过程包括CT扫描、数字模型构建和3D打印，通过布尔运算将多层2D CT灰度图像整合为可视化的3D肝脏数字模型，并使用不同材料打印的肿瘤通过自修复组装在肝脏模型主体上。肝静脉和门脉静脉通过蓝色和绿色颜料填充。在手术室中最常用的切割工具，普通手术刀和超声波手术刀，都能够在自修复肝脏模型上轻松切割，切割后经过自修复愈合的模型能够承受各种变形，如拉伸、扭曲和弯曲。另外，自修复肝脏模型能够模拟肝脏本身和手术操作期间由外科操作引起的解剖结构变形，这是其他3D可视化方法难以实现的效果。

图3. 肝脏模型的制作工艺及自修复、形变行为

手术训练和术前计划

作者以两种临床常见的肝脏手术来说明自修复模型在手术培训领域的应用。在其中一个例子中，模型的切割轨迹的调整导致成功实现了局部瘤体切除，同时避免了对右肝静脉的损伤。另外，在常见的半肝切除中，通过模型的反复切割，成功建立了适当的切割平面，确保了中肝静脉的保留。通过多个不同形状和病理特征的案例，帮助新手医生快速积累临床经验。

图4. 两种典型肝脏外科手术培训

高仿真自修复肝脏模型可以在术前增强CT检查后迅速打印，实际手术之前可以在模型上进行术前规划。通过在模型上进行多次试探性切除，成功进行了一例局部肝切除手术，实现了负边缘并避免了对右肝静脉的损伤。此外，在腹腔镜侧肝段切除的规划中，成功避免了损伤门静脉。通过对5例不同病理特征的病例的调查，模型上的术前规划有助于医生预测切除结果，避免对重要血管结构的意外损伤。这在临床实践中最大程度地确保了手术的确定性，并最小化紧急情况发生的可能性。

图5. 临床两次真实手术模型的术前规划

小结：为了充分满足精准医疗在手术训练和术前规划等场景中的需求，我们报告了一种简单有效的方法，利用自修复弹性体光固化3D打印制备个性化肝脏模型。该弹性体是由两种廉价、市售的原料通过光引发共聚得到，具有可调的模量和高效的室温自修复能力。由于制作时间短，材料成本低，可以在术前影像学检查后快速打印出高度个性化的模型。利用模型的自修复能力，可以在多次试探性切除迭代后建立合适的切割路径。具有自修复能力的3D打印肝脏模型有望在未来的临床实践中成为提高手术安全性和效率的重要工具。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-44324-6

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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