微创诊断成像和图像引导治疗干预技术，如磁共振和超声成像，能够获取多模式和多参数数据，帮助指导和监控干预治疗，显著提高了医疗的有效性。其中，超声诊断具有实时、低成本以及基于非电离辐射的临床边成像方式等优点，被广泛用于器官成像和检测人体功能动力学。超声成像医学技术正在不断发展，复杂弹性组织模型是未来创新的重要研究工具。例如，具有可调节的解剖学和生物力学特性的体外模型是非常理想的实验工具，可用于开发和验证新的成像硬件、血流成像算法、以及估计局部病理变化（如动脉硬度）。此外，从患者自己的医学成像数据集生成的模型可以作为诊断和治疗规划目的的个性化模型。

  由于传统的铸模制造医学模型的方式涉及多个复杂步骤，不仅耗时，而且要制造几何和机械性能具有真实局部变化的模型具有挑战性。近期，加拿大滑铁卢大学Shirley Tang教授课题组提出了一种由可光交联的甲基丙烯酸化聚乙烯醇（PVAGMA）和纤维素纳米晶（CNC）组成的新型混合墨水，并采用嵌入式3D打印的方式直接一步法构建超声兼容的动脉模型，该模型具有弹性、机械稳定性和生物相容性。除此之外，还展示了超声成像的血流动力学研究，这是首次在3D打印体动脉模型上进行此类研究。

  聚乙烯醇（PVA）水凝胶的弹性与人类动脉相似，因此适用于构建在解剖学和生物力学上模拟真实动脉的模型，但是PVA通常表现出应变软化，不符合人体软组织应变硬化的特性。为解决这一缺陷，他们在PVAGMA 中加入CNC，CNC不仅提高了凝胶的机械性能，而且由于手性向列型液晶相的排列，还引入了强剪切变稀行为，有助于挤出式3D打印（图1）。在此基础上，通过调控PVA的取代度，设计了在机械强度上模拟健康和病变动脉的不同水凝胶组分。同时比较了铸模和3D打印的样品，发现两者具有相似的拉伸模量，由此说明3D打印并没有大程度的降低结构的力学性能。

  为了评估支撑浆料、打印墨水和嵌入式3D打印技术（多种材料打印）的通用性，他们设计了几种不同尺寸的同质和异质结构。原位紫外交联和支撑浆料中的低浓度硼酸帮助维持结构的高保真度。实验表明，毫米级的微观结构可以轻松获得，以及多材料打印结构展现出优异的结构稳定性和完整性（图2）。

Figure 2. Printability of the ink and the versatility of the supporting bath material.

  在此基础上，他们构建了三种动脉模型，分别模拟健康（PVAGMA2/CNC）、硬化(PVAGMA4/CNC)和粥样硬化（3段血管模型，中间段狭窄病变，两侧健康）的动脉，对模型进行的循环拉伸实验和体外动力学研究表明，它们具有良好的机械稳定和低滞后性（图3）。研究发现PVAGMA2/CNC和PVAGMA4/CNC的破裂压力（burst pressure）分别约为273 mmHg和102 mmHg，与人体颈动脉相当，另外打印的模型能够在10天之内连续承受超过86万次的颈动脉脉冲模拟脉冲流（60次/分钟，峰值流速为27 mL/s）。

Figure 3. Representative cyclic tensile stress-strain curves under a continuous 5-cycle tensile test of dual-crosslinked (a) PVAGMA2/CNC and (b) PVAGMA4/CNC hydrogels. (c) Schematic illustration of circumferential tension and shear stress experienced by vascular walls during perfusion. (d) The burst pressure and (e) wall tensile stress of the two different 3D printed vessel lumens.

  此外CNC的另一优势是可用来调整水凝胶的声学特性，从而可以构建出与超声成像具有优秀兼容性的模型。通过B型超声成像，发现由PVAGMA2/CNC和PVAGMA4/CNC打印出的血管模型在脉动流下的血管应变分别为11.7±1.0%和6.5±1.5%，同时多普勒成像数据显示血流在不同血管强度和内径下的流速变化，完全符合健康动脉和动脉粥样硬化动脉的行为（图4）。该工作所研发的墨水材料和嵌入式3D打印方式在构筑功能性异质模型方面具有巨大潜力，这些模型可以在生物医学研究中找到重要应用。

Figure 4. Color flow images for PVAGMA2/CNC, PVAGMA4/CNC, and three-segment vessel (borders: orange dashed line) phantoms when vessel lumen was at pulse (a) diastole and (b) systole.

  相关研究成果以“Embedded 3D Printing of Ultrasound-Compatible Arterial Phantoms with Biomimetic Elasticity”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，该文章的第一作者为吴赟博士，目前为江南大学纺织科学与工程学院助理研究员，通讯作者为加拿大滑铁卢大学唐晓武教授。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110153