基于3D打印血管流体模型的粒子图像测速研究

《RSC Advances》：Particle image velocimetry of 3D printed vascular fluidic phantom devicesOpen Access

　　

altered hemodynamics在脑血管疾病（如动脉瘤和狭窄）中发挥关键作用。然而，体内成像缺乏解析小血管内血流动力学所需的空间分辨率。本研究提出了一种利用透明3D打印血管模型和粒子图像测速（particle image velocimetry, PIV）研究微尺度血流动力学的实验框架。研究人员通过增材制造制备了具有直线型和病理（动脉瘤和狭窄）几何形状的光学透明微流控模型，最小直径达500 μm，并使用光学显微镜对其进行了表征。在稳态层流条件下开展流动实验，利用显微粒子图像测速（micro-PIV）测量了局部速度场和壁面剪切应力（wall shear stress, WSS）。将实测速度与解析的Hagen–Poiseuille预测进行比较，平均相对误差为5%–17%。该平台可靠地捕获了关键流动特征和速度的空间变化。总体而言，结果表明，透明3D打印血管模型与micro-PIV相结合，为研究微尺度脑血管血流动力学提供了一种稳健的实验方法。

论文解读：基于3D打印透明血管模型与微PIV的微尺度血流动力学实验研究

一、研究背景与问题

血流动力学改变在动脉瘤、狭窄等脑血管疾病的发生和发展中起着关键作用。动脉瘤是血管的局部扩张，狭窄则是病理性血管缩窄，两者都会显著改变局部血流状态，影响壁面剪切应力（wall shear stress, WSS）、流动分离以及血管壁破裂或血栓形成的风险。然而，体内成像技术难以提供小血管内流场解析所需的空间分辨率。显微粒子图像测速（micro particle image velocimetry, micro-PIV）是一种成熟的非侵入式光学测量技术，可通过追踪流场中的示踪粒子并获得瞬时速度矢量场，解析微米尺度的速度分布，从而验证Hagen–Poiseuille解析解和计算模型。但传统血管流体模型的制造方法（如浇铸、软光刻、注塑成型和热压印）依赖预制模具，设计灵活性差，难以制造高度复杂的三维血管几何结构。近年来，3D打印技术（如数字光处理DLP和立体光刻SLA）为制造复杂、患者特异性的血管模型提供了新途径，但仍面临最小通道尺寸受限、光学透明度不足以及折射率（refractive index, RI）与工作流体不匹配等问题，这些问题会严重影响micro-PIV的图像质量和测量精度。因此，本研究旨在开发一套基于3D打印透明血管模型与micro-PIV相结合的实验框架，用于研究健康及病理状态下的微尺度脑血管血流动力学。

二、研究内容与结论

研究人员利用掩模立体光刻（masked stereolithography, MSLA）3D打印技术，成功制备了最小直径为500 μm的直线型、动脉瘤型和狭窄型透明微流控血管模型，并通过后续湿砂打磨和清漆涂覆处理显著提高了光学透明度。研究人员配制了与打印树脂折射率匹配的血液模拟工作流体，以最大限度地减少光学畸变。随后，研究者在稳态层流条件下对直线通道和病理模型进行了micro-PIV测量，提取了径向速度分布和WSS，并与Hagen–Poiseuille解析解进行了对比。结果表明，直线通道的实测速度与解析预测的平均相对误差为5%–17%，验证了制造和测量方法的可靠性；在病理模型中，实验成功捕捉到了动脉瘤扩张区域的流速减缓和狭窄收缩区域的流速加快等局部流动特征。该研究证实，3D打印透明血管模型结合micro-PIV能够为健康和病变血管构型提供空间分辨的实验数据，为脑血管血流动力学研究提供了稳健的实验平台。

三、关键技术与方法

本研究采用Anycubic High Clear树脂，通过Elegoo Mars 5 Ultra MSLA 3D打印机制备通道模型，打印方向分为倾斜（角度θpxl）和垂直两种，层高为50 μm或20 μm。打印后经异丙醇清洗、UV固化、湿砂打磨（P600至P5000）和清漆涂覆以提高透明度。工作流体为水（29.01 wt%）、甘油（12.91 wt%）、碘化钠（58.02 wt%）和硫代硫酸钠（0.058 wt%）的混合物，其动态粘度为7.15 mPa·s，密度为1.790 g·mL?1，折射率与树脂匹配；示踪粒子为平均直径2.47 μm的二氧化硅颗粒。形态学表征使用Keyence VHX-6000数字显微镜，表面粗糙度使用Nikon Eclipse TE2000-S倒置显微镜估计。micro-PIV系统采用10×和4×物镜、连续LED光源和Nova S12 Fastcam高速相机（1024×1024像素，最高12800 FPS），通过DaVis软件进行多步互相关分析，并采用通用离群值检测进行矢量验证。流动由Fluigent FlowEZ控制器驱动，流量由Flow Unit L+传感器监测。实验在65、150、240、535和950 μL·min?1五个稳态流量下进行，对应的雷诺数范围为2–10。

四、主要研究结果

1. 3D打印流体模型的制造：直线通道和病理通道的目标直径均以较低相对误差（多数为0.13%–1%）再现，但动脉瘤模型中间部位的相对误差达17%，该误差与局部累积UV剂量过高导致的过固化有关。打印失败模式包括喷嘴处直径减小、局部通道变窄和渐变直径变化等。总体而言，垂直打印和倾斜打印均可获得可接受的打印质量，但倾斜打印更易出现缺陷。

2. 表面粗糙度：通过峰值到谷值高度（RZ）估计，垂直打印通道的RZ为13.7±5.7 μm，倾斜打印通道为12.6±2.3 μm，两者差异不大，且远小于通道直径，因此认为粗糙度不影响流动测量。

3. 透明度和折射率匹配优化：经湿砂打磨和清漆涂覆后，样品透明度显著提高；不同打印方向的平均灰度误差最大为5.7%，表明打印方向对透明度影响较小。当通道内介质从空气（RI≈1.00）变为水（RI≈1.33）再变为开发的工作流体（RI≈1.50）时，图像畸变逐渐减小，验证了折射率匹配的有效性。

4. 直线通道流量测量：在2 mm直径通道中，micro-PIV测得的径向速度分布与Hagen–Poiseuille解析解吻合良好。PIV计算的流量与流量传感器读数一致性良好。所有流量和直径条件下，速度估计的平均相对误差为5%–17%，误差来源包括壁面附近粒子追踪困难、传感器标定偏差、相关深度平均效应等。误差随通道直径增大而减小（0.5 mm通道为14.6%，1.0 mm为7.81%，2.0 mm为6.3%）。实验WSS值低于解析预测，最大相对误差为33.8%（垂直0.5 mm通道），最小为12.3%（垂直1 mm通道）。

5. 病理模型流量测量：在动脉瘤模型中，Z1区域（病灶上游）速度分布随流量增加而增大，Z2区域（最宽处）流速显著降低，且在扩张段后方减速、下游重新加速。在狭窄模型中，Z1区域速度分布略不对称，Z2区域（最窄处）速度分布对称且流速明显增加。所有流量下，PIV计算的流量与传感器读数在低流量下吻合良好。这些结果表明该平台能够分辨病变几何引起的局部流速变化。

五、讨论与结论

讨论部分指出，过固化是3D打印流体通道制造中最主要的限制因素，可通过优化曝光参数或降低累积UV剂量、以及在设计阶段补偿预期过固化来减轻。垂直打印在保持通道几何精度和减少打印误差方面表现最佳。湿砂打磨加清漆涂覆的后处理工艺显著改善了光学透明性，使准确PIV测量成为可能。工作流体与树脂的折射率匹配对于减小光学畸变和确保速度测量精度至关重要。实验测量证实流动行为强烈依赖于通道几何和流量：直线通道呈现充分发展的层流，速度分布与Hagen–Poiseuille解析预测一致；病变几何中则出现与缩窄和扩张区域相对应的局部加速和减速，流量增加导致速度梯度和WSS成比例升高，但所有测试条件下均保持层流。这些观察证实了该光学平台能够分辨3D打印流控装置内的局部流动变化。

结论部分可概括为：本研究证明，使用MSLA 3D打印机可以成功制造最小直径为500 μm的直线、动脉瘤和狭窄通道。垂直打印方向在保持通道几何精度和减少打印错误方面最为有效。过固化是制造流体通道中最主要的限制因素，可通过优化或降低累积曝光剂量以及调整通道设计进行补偿。所设计的打印喷嘴可轻松连接流动回路且无泄漏，但观察到内径减小，特别是0.5 mm通道，这同样归因于过固化。结合湿砂打磨和清漆涂覆的后处理方法显著提高了打印器件的光学透明度，实现了准确的PIV测量。工作流体与树脂的折射率匹配对于最小化光学畸变和确保准确的速度测量至关重要。直线通道表现出充分发展的层流，速度分布与Hagen–Poiseuille解析预测一致；病变几何中速度分布表现出与缩窄和扩张区域相对应的局部加速和减速，流量增加导致速度梯度和WSS成比例升高，所有条件下均保持层流。这些进展增强了3D打印微流控器件的生理相关性、定量准确性和预测能力，推动了其在脑血管血流动力学和疾病研究中的应用。未来方向包括扩展到三维几何和立体PIV、减小通道直径、采用柔性壁材料、利用患者特异性几何模型、使用非牛顿流体以及结合计算流体动力学（CFD）模拟。