Science：重大进展！华人科学家开发出DVAP打印方法，可让超声波油墨凝固成不同的三维形状和结构

在一项新的研究中，来自美国杜克大学和哈佛医学院的研究人员开发出一种生物相容性油墨（bio-compatible ink），它能通过吸收超声波凝固成不同的三维形状和结构。由于这种油墨对声波而非光线有反应，因此可用于深层组织的生物医学用途，比如从骨骼愈合到心脏瓣膜修复。相关研究结果发表在2023年12月8日的Science期刊上，论文标题为“Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing”

三维打印工具的用途越来越广泛。打印机可以打印出医疗设备的原型，设计出灵活轻便的电子产品，甚至还能设计出用于伤口愈合的组织。然而，其中的许多打印技术都需要在缓慢而艰苦的过程中逐点构建物体，这通常需要一个强大的打印平台。

在过去的几年里，为了规避这些问题，科学家们开发了一种光敏油墨，它能直接对目标光束做出反应，并迅速硬化成所需的结构。虽然这种打印技术能大幅提高打印速度和质量，但是人们只能使用透明油墨进行打印，而且生物医学用途也受到限制，因为光线不能到达组织内部超过几毫米的深度。

如今，哈佛医学院副教授 Y. Shrike Zhang 和杜克大学生物医学工程系副教授Junjie Yao开发出一种新的称为深穿透声学体积打印（deep-penetrating acoustic volumetric printing, DVAP）的打印方法，从而解决了这些问题。这种新技术采用了一种能对声波而不是光产生反应的专用油墨，使他们能够在前所未有的组织深度构建出生物医学有用的结构。

Yao解释说，“DVAP依靠的是声热效应，当声波被吸收后，温度会升高，从而使我们的油墨变硬。超声波的穿透深度是光波的 100 多倍，同时还具有空间局限性，因此我们能以很高的空间精度到达组织、骨骼和器官，而这是光打印方法无法达到的。”

DVAP的第一种成分涉及一种超声波油墨（sonicated ink，sono-ink），它是水凝胶、微颗粒和分子的组合，旨在对超声波产生特殊反应。一旦超声波油墨被输送到目标区域，专门的超声波打印探头就会向超声波油墨中发送聚焦超声波，从而将超声波油墨的一部分硬化成复杂的结构。这些结构可以是模拟骨骼硬度的六边形支架，也可以是放置在器官上的水凝胶气泡。

Zhang说，“超声波油墨本身是一种粘性液体，因此可以非常容易地注入目标区域，当你移动超声波打印探头时，油墨中的材料会连接在一起并变硬。一旦完成，你就可以通过注射器取出剩余的未凝固的油墨。”

超声波油墨的这些不同成分使得这些作者能够调整配方，以适应各种用途。例如，如果他们想制作一种支架来帮助骨折愈合或弥补骨质流失，就可以在这种超声波油墨中添加骨矿物质颗粒。这种灵活性还使他们能够根据用途设计出更耐用或更可降解的硬化配方。他们甚至可以调整最终打印的颜色。

作为这种新技术的概念验证，这些作者进行了三项测试。第一项测试是用超声波油墨封闭山羊心脏的一部分。当人患有非瓣膜性心房颤动时，心脏无法正常跳动，导致血液在器官内积聚。传统的治疗方法通常需要开胸手术来封闭左心耳（left atrial appendage），以降低血栓和心脏病发作的风险。

图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adi1563。

相反，这些作者使用导管将他们的超声波油墨输送到放置在打印室中的山羊心脏的左心耳。然后，超声探头将聚焦超声波穿过 12 毫米的组织，使超声波油墨变硬，而不会损坏周围的任何器官。这一过程完成后，超声波油墨就安全地粘合到了这种心脏组织上，并且具有足够的柔韧性，能够承受模拟心脏跳动的运动。

接下来，这些作者测试了 DVAP 用于组织重建和再生的潜力。在用鸡腿制作了一种骨缺损模型后，他们将超声波油墨注入10毫米厚的样本皮肤和肌肉组织层并使其硬化。由此产生的材料与骨骼无缝粘合，对周围组织没有任何负面影响。

最后，Yao和Zhang展示了 DVAP 还可用于治疗药物的递送。在他们的例子中，他们在超声波油墨中添加了一种常见的化疗药物，并将它递送到肝脏组织样本中。利用他们的超声探头，他们将超声波油墨硬化成水凝胶，水凝胶缓慢释放出化疗药物，并扩散到肝脏组织中。

Zhang说，“我们还远未将这一工具应用于临床，但这些测试再次证实了这一技术的潜力。我们非常期待看到它的发展前景。因为我们可以通过组织进行打印，所以它可以在手术和治疗中实现很多潜在的应用，而传统的手术和治疗方法都是非常侵入性和破坏性的。这项新的研究在三维打印领域开辟了一条令人兴奋的新途径，我们很高兴能共同探索这一工具的潜力。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Xiao Kuang et al. Self-enhancing sono-inks enable deep-penetrating acoustic volumetric printing. Science, 2023, doi:10.1126/science.adi1563.

Sound waves harden 3D-printed treatments in deep tissues
https://medicalxpress.com/news/2023-12-harden-3d-printed-treatments-deep-tissues.html