Science｜使用超声波在生物组织内部进行3D 打印

星标“医工学人”，第一时间获取医工交叉领域新闻动态~

增材制造是一种新兴技术，涉及空间图案材料的渐进式组装，从建筑原型到消费鞋类，这种工艺正被广泛采用[1]。然而，大多数现有的三维（3D）形状生产方法都需要光栅扫描打印机[2-4]或使用图案光[5,6]来诱导材料成型，这导致在物理和光学条件上有所限制的制造无法进行。事实上，超声波可用于以约100 μm 的空间分辨率打印厘米级体积的光学不透明介质，这种策略甚至可以在体内起作用。Kuang等人提出的基于超声波的体积打印方法，展示了快速及精确的打印能力，并展示了其在活体组织内无创生物材料打印中的应用。

3D打印工具的用途不断增加。3D打印机能够创建医疗设备原型，设计灵活、轻巧的电子设备，甚至设计用于伤口愈合的组织。但是，这些打印技术中的许多技术都需要在缓慢而艰巨的过程中逐点构建对象，这通常需要强大的打印平台。为了规避这些问题，之前已有研究人员开发光敏墨水，该墨水对目标光束直接响应并迅速硬化成所需的结构。虽然这种打印技术可以大大提高打印的速度和质量，但研究人员只能使用透明墨水进行打印，并且生物医学目的受到限制，因为光线不能深入组织超过几毫米。

现在，布莱根妇女医院副生物工程师、哈佛医学院副教授Y. Shrike Zhang和杜克大学生物医学工程副教授Junjie Yao开发了一种新的打印方法，称为深穿透声学体积打印（DVAP），可以解决这些问题。这项新技术涉及一种特殊的墨水，它可以对声波而不是光做出反应，使他们能够在前所未有的组织深度创建具有生物医学意义的结构。

“DVAP依赖于声热效应，当声波被吸收并增加温度以硬化墨水时，就会发生声热效应，”为DVAP设计超声波打印技术的Yao解释说。“超声波可以穿透比光深100倍以上的深度，因此我们可以以高空间精度到达组织，骨骼和器官，这是基于光的打印方法无法到达的。”

DVAP的第一个组成部分涉及一种称为声波墨水的超声处理墨水，它是水凝胶，微粒和分子的组合，旨在专门对超声波做出反应。一旦墨水被输送到目标区域，一个专门的超声波打印探头就会将聚焦的超声波发射到墨水中，将其部分硬化成复杂的结构。这些结构的范围可以从模仿骨骼硬度的六角形支架到可以放置在器官上的水凝胶气泡。

“墨水本身是一种粘稠的液体，因此可以很容易地将其注入目标区域，当您移动超声波打印探头时，墨水中的材料将连接在一起并变硬，”Zhang说，他在布莱根的实验室设计了声波墨水。“一旦完成，你可以去除任何没有通过注射器凝固的剩余墨水。”

声波墨水的不同成分使研究人员能够针对各种用途调整配方。例如，如果他们想创建一个支架来帮助治愈骨折或弥补骨质流失，他们可以在墨水中添加骨矿物质颗粒。这种灵活性还使他们能够根据其用途设计硬化配方，使其更耐用或更可降解。他们甚至可以调整最终打印的颜色。

该团队进行了三项测试，作为其新技术的概念验证。第一种是用墨水封住山羊心脏的一部分。当一个人患有非瓣膜性心房颤动时，心脏将无法正常跳动，导致血液在器官中积聚。传统治疗通常需要开胸手术来封闭左心耳，以降低血栓和心脏病发作的风险。基于此，该团队使用导管将他们的声波墨水输送到放置在打印室中的山羊心脏中的左心室。然后，超声探头通过12毫米的组织传递聚焦超声波，在不损坏任何周围器官的情况下硬化墨水。该过程完成后，墨水被安全地粘合到心脏组织上，并且足够灵活，可以承受模仿心脏跳动的运动。

接下来，该团队测试了DVAP用于组织重建和再生的潜力。在使用鸡腿创建骨缺损模型后，该团队注入了声波墨水，并通过10毫米的样本皮肤和肌肉组织层将其硬化。由此产生的材料与骨骼无缝结合，不会对任何周围组织产生负面影响。

最后，Yao和Zhang表明DVAP也可用于治疗药物递送。在他们的例子中，他们在墨水中添加了一种常见的化疗药物，并将其输送到肝脏组织样本中。使用他们的探针，他们将声波墨水硬化成水凝胶，缓慢释放化疗并扩散到肝组织中。

“我们距离将这种工具带入临床还很遥远，但这些测试再次证实了这项技术的潜力，”Zhang说。“我们非常期待看到它能从这里走向何方。

“我们可以通过组织打印，在手术和治疗中实现许多潜在的应用，这些应用传统上涉及非常侵入性和破坏性的方法，”Yao说。“这项工作为3D打印世界开辟了一条令人兴奋的新途径，我们很高兴能共同探索这个工具的潜力。

Xiao Kuang et al., Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing.Science382,1148-1155(2023).DOI:10.1126/science.adi1563

*中文解读仅供参考，一切内容以英文原文为准。如涉及版权问题，请联系我们删除。

编辑 | 罗虎

来源 | Science

审核 | 医工学人

点击关注医工学人