还原真实，触手可及：仿真脑模型的前世、今生与未来
大脑，这一人体最为复杂且神秘的器官，始终是科学研究领域的核心焦点。临床医生在神经外科手术规划、技能培训等实践中，迫切需要精准的工具来深入理解大脑结构与病灶关系，现在在临床教学与手术演练中，医生们仍主要依赖尸头或动物模型进行操作练习，但它们的广泛使用受到伦理问题、高成本和动物资源有限可用性的限制。
正是这些现实困境，催生了人类对大脑研究媒介的不断探索。其实，试图清晰再现大脑结构的努力并非现代独有，其雏形早在数百年前便已萌芽。
人类对大脑很早就产生了兴趣。古埃及人在制作木乃伊时，会通过鼻腔取出部分脑组织，却未深入探究其功能；中世纪的学者们在神学框架下，将大脑视为 “灵魂的居所” 而鲜有实质研究。直到文艺复兴时期，随着科学思想的觉醒，人们逐渐打破认知禁锢，开始渴望通过直接观察人体结构，揭开大脑运作的真相 — 这也让 “人类解剖” 从零散操作走向系统研究，成为探索大脑的关键一步。
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古埃及：公元前3000年-前300年，入殓师通过尸体处理积累了部分解剖知识，绘制的《埃伯斯纸草书》记录了骨骼和内脏结构。此外，还有石雕祭品如子宫、膀胱模型用于宗教仪式，反映出对器官功能的初步认知。
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古希腊：公元前5世纪，希罗菲卢斯在亚历山大医学院的支持下，第一次对人体进行了解剖，研究了人体器官的排列，给十二指肠等结构命名，还描述了眼、肝、唾液腺、胰及两性生殖器，甚至研究了脑室，探索了脑硬膜上静脉窦的走向。
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古罗马：盖伦通过解剖动物详细记录脑叶、脑室和神经纤维分布，提出大脑由皮质、白质和灰质组成的概念，还提出 “神经传导” 理论，描述了视觉、听觉和触觉的神经通路，为后世神经科学发展提供重要依据，不过其理论也存在一定局限性。
19 世纪末至 20 世纪初，解剖学模型成为第一代替代工具。科研人员通过石蜡灌注、树脂翻模等技术，复制尸头的大脑结构，制作出可拆解的实体模型。这些模型能清晰展示脑沟、脑回、脑血管等基础解剖特征，成为神经外科医生入门培训的标配。例如，德国解剖学家制作的脑血管铸型模型，首次让年轻医生直观看到 Willis 环的立体结构，为动脉瘤手术入路设计提供了重要参考。
20 世纪中期，功能性物理模型出现技术突破。通过在模型中植入模拟血管的硅胶管道，注入有色液体，可模拟脑出血、脑梗塞等病理状态。这类模型在手术培训中大放异彩 — 医生能在模型上练习血肿清除、血管夹闭等操作，感受器械与 “脑组织” 的触感反馈。某神经外科中心的数据显示，使用这类模型培训的年轻医生，首次独立完成脑肿瘤切除手术的并发症发生率降低了 32%。
3. 多材料3D打印技术的崛起
随着材料科学和工程技术的进步，仿真人体器官模型的发展进入了一个新的阶段。而塑料材料的发展，更多的仿真器官模型开始出现，这些模型更耐用且更易于制造。仿真脑模型也实现了 “从无到有” 的量产突破。
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力学性能匹配度低，多数塑料（如 ABS、PVC）的弹性模量、断裂韧性与真实脑组织差异显著，模拟手术切割、牵拉操作时，手感反馈与临床实际偏差大，无法还原脑组织 “柔而不脆、韧而不裂” 的物理特性；
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微观结构复刻能力弱，塑料注塑工艺难以精准呈现脑沟回的微米级纹理及脑内灰白质的分层密度差异，导致模型在解剖结构教学、手术路径规划中参考价值受限； -
热稳定性与老化特性欠佳，部分通用塑料（如 PP）在长期储存或反复消毒（如酒精擦拭）后，易出现翘曲、脆化，导致模型解剖结构变形，影响长期使用稳定性。
- Stratasys 公司的专利技术PolyJet（源自Objet公司，2012年合并后继承）可在一次打印中集成多种不同硬度和颜色的光敏树脂，分别模拟皮肤、肌肉、骨骼、硬脑膜、脑实质、肿瘤和血管。模拟的脑组织柔软而有弹性，骨骼坚硬，血管可以是中空的并可连接血流模拟系统。
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注：PolyJet技术通常使用树脂，而不是其他3D打印方法中使用的塑料。
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▲Stratasys J750上打印3D解剖学头部模型
同样用PolyJet技术打印仿真脑模型的还有德克萨斯大学西南医学中心的神经科创新主任Darin Okuda博士，他表示：“当用强制透视的二维平面观看图像时，几乎不可能描述出大脑内病变的真实形状。使用3D模型研究病变，我们能以一种完全不同的方式来看报告结果—评估它们的形状、结构和表面特征。”
▲3D打印大脑显示出多发性硬化症(MS)的病变
▲多形性胶质母细胞瘤对比增强区的3D打印模型，显示出时间点之间的大小缩减(绿色:时间点1;红色:时间点2)
通常情况下，仿脑组织体模根据其形态分为固体、液体和数字体模三种。
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固体体模：一般以明胶和琼脂作为主要原材料，并通过添加辅助材料调整电学参数。例如加入氯化钠改变导电性，加入丙二醇起到保湿和稳定作用。
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液体体模：生理盐水是最常见的材料。有的研究设计使用不同浓度、不同厚度的盐水层来模拟头皮和脑组织。
2023年，中科院物理所发布一种仿脑组织体模的介绍，进一步推动了该领域的发展。
其中固体体模一般以明胶和琼脂作为主要原材料，并通过添加一些辅助材料来调整相关电学参数。在一些研究中，也会加入氯化钠来改变体模的导电性，加入丙二醇来起到保湿和稳定的作用。在液体体模中，生理盐水是最常见的材料。有的研究设计使用不同浓度不同厚度的盐水层来模拟头皮和脑组织。
另外仿真脑模型本着“3R原则”（减少动物实验、减少替代品、减少实验动物），在2025年，弗莱堡大学的的研究中，脑模型仿体基材采用聚乙烯醇冷冻凝胶与滑石粉颗粒复合材料，通过反复冻融循环促进聚乙烯醇分子交联，以确保其声学特性与人脑组织高度相似。
此研究中的大脑仿体除了满足临床基本的教学需求外，还能用来做术前规划、术后并发症分析、长周期的CSF动力学等研究。其制作工艺简单、可复制、无有害材料且材料成本极低（约56.25欧元）。
然而，仿真脑模型的发展并非一蹴而就，其演进历程恰恰折射出传统尸头在教学与临床应用中客观存在的局限性。要理解模型技术的革新意义，首先需要看清它所致力弥补的缺陷。
五、传统教具：目前临床教学的困境与局限
在目前神经外科的临床教学中，更多的还是用尸头来模拟演示。尸头解剖是“结构信息”和“诊断信息”最直接的展示方式。它优势在于，比任何影像多提供了一个感官维度—触觉。一种物件只用眼睛盯着看，和拿在手里学习，认知感受的程度并非完全一样。但依赖尸头解剖的临床教学，也存在一些不足：
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尸头经福尔马林等保存液长期浸泡后，原本柔软的脑组织会变得僵硬脆化，失去正常的弹性与韧性，无法模拟术中牵拉脑组织时的真实触感；血管因固定液渗透而硬化，轻轻触碰就可能断裂，难以演示血管分离、夹闭等精细操作；神经纤维束在化学作用下失去透明质感，与周围组织的边界变得模糊，无法清晰展示功能区神经的走行规律。
- 尸头在浸泡后，不同组织常呈现灰白、黄褐或棕褐色，失去了活体/新鲜标本中肌肉的红色、脂肪的黄色、神经的亮白色、血管的暗红色等自然色彩对比。
- 标本获取困难：尸体来源受限，难以满足教学需求，导致学生实践机会少，无法充分接触和操作尸头标本，影响对解剖结构和病变的直观认识。
- 标本质量参差不齐：由于尸体来源的多样性，标本可能存在自溶、腐败等情况，影响解剖质量和教学效果。而且不同标本个体化差异大，共性体现不足，不利于学生掌握普遍的解剖规律。
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教学方法单一：传统尸头解剖教学多以教师讲解和示范为主，学生被动学习，参与度低，难以激发学习兴趣和主动性，不利于培养学生的实践操作能力和临床思维。 -
教学时间有限：尸头解剖教学通常安排在有限的课时内，教师难以全面、深入地讲解。
尽管传统教学方法面临诸多局限，但这也为技术创新指明了方向。仿真脑模型的未来发展，将紧紧围绕“如何更好地服务医生与患者”展开。它们不再仅仅是静态的教具，而是会进化成能够交互、可预测的智能平台，为医学教学和手术规划提供强有力的辅助。
对临床手术模拟与教学的核心优势：
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训练效果革命性提升：医生能在无限接近真实的模型上反复进行高风险手术练习，如脑干肿瘤切除、动脉瘤夹闭等，大幅降低真人手术中的学习曲线和操作风险。
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实现真正的个性化医疗：利用患者本人的CT/MRI数据，快速打印出专属的1：1疾病模型。主刀医生可以在术前精准规划最佳手术入路、演练整个流程，甚至预判可能出现的危机，从而将手术成功率提升到新的高度。
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教学资源公平化：一套数字模型可以无限复制、远程共享，让偏远地区、资源匮乏医院的医生也能接触到全球最典型的复杂病例进行练习，打破优质医疗教育资源的地域壁垒。
仍需突破的关键点：
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成本与可及性：目前最高端的多材料模型制作成本和设备价格依然高昂，如何降低成本，让其成为每家医院都能配备的“标配”，是推广的关键。
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动态生理模拟：现在的模型多数是“静态”的。未来的突破点在于如何精准模拟脑血流、脑脊液循环以及开颅后发生的脑组织移位，这将使模拟训练达到前所未有的真实水平。
未来临床还能做哪些事？
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医患沟通革命：医生可以拿着为患者定制的脑肿瘤模型，直观地讲解病灶位置、手术方案和风险，让患者和家属“看得见、摸得着”，极大增进信任、缓解焦虑。
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手术机器人“练兵场”：为手术机器人系统提供高仿真的测试模型，优化其算法和操作流程，确保它们在真人身上操作时更安全、更精准。
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新疗法“试验田”：创新的神外手术器械、新型植入材料（如脑起搏器）都可以先在脑模型上进行安全性和有效性测试，加速创新技术走向临床。
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远程手术规划协作：世界各地专家可以通过操作同一个虚拟或实体仿真模型，为远方的复杂手术提供实时指导或共同制定方案。
总之，仿真脑模型的终极目标，是建立一个“零风险”的医疗试验和训练环境。它让医生在真正走上手术台前，就已经积累了丰富的“临床经验”，最终让每一位患者都能享受到更安全的医疗救治。
End
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