明尼苏达大学与华盛顿大学研究人员联合开发出一种能复现人体组织定向力学特性的3D打印技术，为医学模拟与外科训练带来更高真实度。人体组织具有各向异性特征——由于胶原蛋白与弹性纤维的定向排列，其刚度与弹性会随方向变化。传统铸造硅胶模型无法模拟这种特性，因此明尼苏达大学机械工程系Michael McAlpine教授团队通过控制体素尺度的丝线几何结构，实现了各向异性建模。

通过调整打印线高度、间距与材料配比，他们成功制造出刚度比与真实组织匹配的结构。发表于《科学进展》的研究论文中，数学模型精准预测了这些效应，测试证实其各向异性调节能力可与人类皮肤相媲美，沿纤维打印方向的刚度比超过1.5:1。

各向异性皮肤模型助推外科训练

为验证该方法，研究人员制作了用于环甲膜切开术（一种高风险紧急气道手术）训练的3D打印颈部组织模型。这个被称为"环甲皮肤模型"的装置由代表皮肤与皮下组织的分层硅胶构成，其力学行为专门模拟人类颈部组织的各向异性特征。

每层打印路径通过定制算法生成，该算法基于偏振敏感光学相干断层扫描获得的颈部胶原纤维方向数据定向排列打印线。这种设计确保打印模拟物的局部力学响应与真实组织结构一致。该系统采用配备容积计量泵的标准龙门挤出式3D打印机，通过调整喷嘴位置补偿非平面曲率，在双曲几何模型上保持精确材料沉积。这些改进使得制造患者特异性、力学精确的模拟物无需多轴机器人系统。

为增强真实感，研究人员在打印组织中嵌入充液微胶囊以模拟切割出血。这些通过微流控双乳液工艺制造的胶囊，将水性红色染料包裹在聚苯乙烯薄壳内。胶囊与剪切稀化水凝胶混合后，被沉积在打印皮肤与皮下层之间并密封。当受压或切割时，胶囊破裂释放有色液体模拟血液流动。这些胶囊可稳定保存数周无渗漏，且能通过调整制备过程中的流速控制尺寸与破裂强度。

实证研究验证优越性

来自西雅图金县急救中心组织的护理人员参与对比研究，分别在传统铸造硅胶模型与3D打印各向异性模型上实施环甲膜切开术。问卷反馈表明，3D打印模型在触诊切割时提供更真实的触觉反馈，出血模拟也更加逼真。统计学分析显示差异显著，尤其在皮肤触感与切口真实度方面。

该工艺兼容标准3D打印硬件与材料，为医学训练应用提供可扩展方案。由于各向异性通过打印几何结构实现（而非嵌入纤维或复杂复合材料），该方法避免了以往设计导致的刚度增加问题。同一框架可适配其他器官模型，实现心脏、血管或肌肉骨骼组织力学特性的定向调节。

医学模拟中3D打印技术的拓展应用

作为经典应用场景，3D打印技术正为各类手术创建解剖结构与力学特性精准的训练模型，并为需要精确力学响应的医疗设备开发生物力学测试平台。

2021年，医学解剖模型制造商Biomodex推出经房间隔穿刺术3D打印训练系统，能复现真实心脏组织的几何形态、触感与力反馈，同时保持超声兼容性。该模型由可重复使用的心脏框架与一次性房间隔穿刺盒组成，采用专有INVIVOTECH与ECHOTECH工艺打印的多材料解剖复刻品，同步模拟人体组织的力学与声学特性，帮助电生理医师在真实生物力学与影像引导下训练，缩短这一复杂心脏手术的学习曲线。

西英格兰大学精细打印研究中心的科学家开发出3D打印器官模拟器，复现人体组织的外观、弹性与质地用于外科训练。由挪威科技大学ApPEARS计划资助、David Huson主导的该项目，结合3D打印与铸造技术生产用于腹腔镜胆管探查训练的低成本高保真十二指肠、胆囊、肝脏、胰腺及胆管模型。这些采用多材料（非硅胶）制造的原型同时复现软组织声学特性，支持超声引导实践，减少对尸体或动物模型的依赖。