声波强化深层组织中的3D打印治疗

杜克大学和哈佛医学院的工程师开发了一种生物相容性墨水，可以通过吸收超声波固化成不同的3D 形状和结构。由于它对声波而不是光做出反应，因此这种墨水可用于深层组织，用于从骨愈合到心脏瓣膜修复等生物医学目的。

这项工作发表在 12 月 7 日的《科学》杂志上。

3D 打印工具的用途不断增加。打印机制造医疗设备原型，设计灵活、轻便的电子产品，甚至设计用于伤口愈合的组织。但许多打印技术都涉及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。

为了在过去几年中解决这些问题，研究人员开发了一种光敏墨水，它可以直接响应目标光束并快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，并且生物医学用途受到限制，因为光线无法深入组织几毫米。

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 张和杜克大学生物医学工程副教授姚俊杰开发了一种新的打印方法，称为深穿透声体积打印 (DVAP) ，解决了这些问题。这项新技术涉及一种特殊的墨水，它对声波而不是光产生反应，使他们能够在前所未有的组织深度上创造出生物医学上有用的结构。

“DVAP 依赖于声热效应，当声波被吸收并升高温度以硬化我们的墨水时就会发生这种效应，”为 DVAP 设计超声波打印技术的 Yao 解释道。“超声波的穿透深度比光深 100 多倍，同时仍然受到空间限制，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达到的。”

DVAP 的第一个组成部分涉及一种超声波墨水，称为超声波墨水，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。一旦声波墨水被输送到目标区域，专用的超声波打印探头就会将聚焦超声波发送到墨水中，将其部分硬化成复杂的结构。这些结构的范围从模仿骨骼硬度的六边形支架到可以放置在器官上的水凝胶气泡。

“墨水本身是一种粘性液体，因此可以相当容易地注入目标区域，当你移动超声波打印探头时，墨水中的材料会连接在一起并硬化，”超声波打印器的设计者张说。 -ink 在他位于布里格姆的实验室里。“完成后，您可以通过注射器去除任何未固化的剩余墨水。”

声诺墨水的不同成分使研究人员能够调整配方以适应多种用途。例如，如果他们想创建一个支架来帮助愈合断骨或弥补骨质流失，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。

该团队进行了三项测试，以验证其新技术的概念。第一个涉及使用墨水密封山羊心脏的一个部分。当人类患有非瓣膜性心房颤动时，心脏无法正常跳动，导致血液积聚在器官中。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。

相反，该团队使用导管将声诺墨水输送到放置在打印室中的山羊心脏的左心耳。然后，超声波探头将聚焦超声波穿过 12 毫米的组织，使墨水硬化，而不会损坏任何周围的器官。一旦该过程完成，墨水就会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。使用鸡腿创建骨缺损模型后，研究小组注入声波墨水，并通过 10 毫米的样本皮肤和肌肉组织层使其硬化。由此产生的材料与骨头无缝粘合，不会对任何周围组织产生负面影响。

最后，Yao 和Zhang 表明 DVAP 也可用于治疗药物输送。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。他们使用探针将声墨水硬化成水凝胶，缓慢释放化疗药物并扩散到肝组织中。

“我们距离将这种工具带入临床还很远，但这些测试再次证实了这项技术的潜力，”张说。“我们很高兴看到它可以走向何方。”

“因为我们可以通过组织进行打印，所以它在传统上涉及非常侵入性和破坏性方法的手术和治疗中具有许多潜在的应用，”姚说。“这项工作为 3D 打印世界开辟了一条令人兴奋的新途径，我们很高兴能够共同探索该工具的潜力。”