摘要：在外科急救培训中，有一种场景往往让学员望而生畏——紧急气管切开术（cricothyrotomy）。这种拯救生命的操作在现实中极少发生，医生缺乏实操机会，而传统的训练模型往往手感呆板、无法真实还原人体组织的反应。近日，《Science Advances》发表的一
在外科急救培训中，有一种场景往往让学员望而生畏——紧急气管切开术（cricothyrotomy）。这种拯救生命的操作在现实中极少发生，医生缺乏实操机会，而传统的训练模型往往手感呆板、无法真实还原人体组织的反应。近日，《Science Advances》发表的一项研究，为这一难题提供了颠覆性的解决方案：科学家通过3D打印制造出具有机械各向异性的人体组织模拟物，并在其中嵌入“血液胶囊”，让训练模型不仅能被切开，还能流血，从而极大提升了医学训练的真实感。
人体组织的机械特性并非各向同性。比如皮肤，沿着胶原纤维排列的方向更坚韧，而垂直方向则更柔软。这种各向异性和非线性反应，使得人体在受力时展现出复杂而逼真的反馈。但传统的硅胶铸造模型，只能提供单一、均质的触感，远不能还原临床操作中的真实体验。
研究团队提出了一种数学模型，将打印参数（如打印线高度、间距）与各向异性力学性质建立关系。他们利用3D打印固有的分层与方向性，通过控制“体素”（voxel）的排列方式，精确模拟不同方向上的弹性模量。这样一来，打印出来的模拟皮肤，不仅硬度可调，还能真实再现人体皮肤在拉伸、切割时的方向依赖性。
研究团队开发了可调弹性模量的硅胶基打印墨水。通过调整室温硫化硅胶（RTVS）与低黏度软化剂（PD）的比例，他们能够将材料的弹性模量从5 kPa拓展到600 kPa，涵盖了从软组织到较硬组织的范围。再加入助剂如二氧化硅粉末，墨水的流变性能得以优化，使其既能稳定挤出，又能在打印后形成强度合适的固体结构。
更令人惊叹的是，“出血”的功能并非简单注射，而是借助双乳液（W/O/W）微胶囊实现。研究者设计了三层结构的胶囊：最内层是红色甘油水溶液，模拟血液的颜色与黏度；中间层是聚苯乙烯（PS）壳体，确保稳定存储；外层是水相，维持胶囊悬浮。通过调节微流控芯片中流体的比例，他们获得了直径约680 μm的液芯胶囊，既能长期稳定存放，又能在受压时破裂并释放“血液”。这些胶囊与水凝胶混合后，被3D打印嵌入组织层中，最终在训练切割时实现出血效果。
研究人员制作了“cric-skin puck”训练块，并邀请美国西雅图的专业急救人员进行对比测试。结果显示：
在触感上，3D打印模型的皮肤层在切割时更接近真实人类皮肤（p = 0.037），在出血效果上，胶囊设计让模型呈现更逼真的渗血表现（p = 0.008），在操作难度上，3D打印模型更好地模拟了临床中“找不到切口”的挑战（p = 0.045）。总评中，受试者一致认为这种带有各向异性和出血功能的模型，更适合作为外科急救训练工具。
这项研究不仅展示了3D打印技术在材料科学上的创新，还对医学教育意义深远：
提高训练真实感：医生在练习时能体验到接近临床的阻力和反馈，大大缩短“从模拟到真实”的学习曲线。减少对动物组织的依赖：传统上，部分训练依赖动物器官，但伦理和供应问题限制了其使用。3D打印组织模拟物提供了可重复、可标准化的解决方案。拓展应用前景：未来，该技术可用于更多场景，如外科手术练习、医疗器械测试，甚至是研发“拟真器官”以进行新药试验。研究团队指出，未来还将探索：
将技术应用于复杂几何结构的器官（如心脏瓣膜、大脑皮层）；融合可电烧灼的水凝胶材料，以支持更复杂的手术训练；开发自动化打印流程，提高大规模生产能力；与人工智能结合，实现对打印参数的实时优化。正如作者所说：“这不仅仅是一个假皮肤，而是医学训练走向高保真、个性化的新起点。”随着技术的成熟，未来的医学生或许可以在课堂上体验到“会流血、会撕裂”的人工器官，从而在无风险环境中磨练真正的救命技能。
参考文献：
Somayaji, A. et al. 3D printed anisotropic tissue simulants with embedded fluid capsules for medical simulation and training.Science Advances, 11, eadw6446 (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw6446
来源：自在桐风