生物打印正迅速崛起为一项引人瞩目的工程技术，通过将细胞、生物材料或生物分子结合在一起，制造出能够用于修复甚至替换人体受损器官的产品。此前，科学家在这方面取得了不少进展，已经用3D打印技术制造出一颗心脏 [1]、一个血管系统（Science, 2019, 364, 458，点击阅读详细），甚至是一只完整的耳朵（Nat. Biotechnol., 2016, 34, 312，点击阅读详细）。

生物打印技术的进展示意图。图片来源：Cell [2]

然而，长期以来3D生物打印的“墨水”主要采用光敏材料，这在生物医学领域受到了一定的限制，因为光线的穿透深度仅限于毫米级。与光相比，医学超声波的穿透深度通常可达几毫米至几十厘米，声波能量能够精准地传递到焦点区域，或许能为体内3D打印提供新的可能。

利用超声波进行医学影像学检查。图片来源：NIH [3]

近日，杜克大学姚俊杰（Junjie Yao）课题组与哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang课题组合作在Science 杂志上发表论文，报道了一种“超声墨水”，结合相应的聚焦超声波写入技术，可以实现深层穿透声学体积打印（deep-penetrating acoustic volumetric printing, DAVP）。该技术能够在厘米深度的生物组织内完成3D打印，为微创医学铺平了道路。

深层穿透声学体积打印（DAVP）技术。图片来源：杜克大学[4]

“超声墨水”采用聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）作为主要成分，并添加琼脂微粒改善流变性质，聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）用于增强声波的吸收，过硫酸铵作为热引发剂。与PEGDA墨水相比，这种“超声墨水”由于PNIPAm线团到小球（coil-to-globule）相变（相变温度34-36 °C）的影响，粘度会在相变之后大大增加。有意思的是，这种“超声墨水”在高频声波作用下，同时具有剪切稀化的特点，即在高频声波作用下受到剪切时，其粘度显著降低。这种“超声墨水”的设计理念还可以拓展，包括使用其他天然高分子乙烯基寡聚物（例如甲基丙烯酰明胶）或具有可调相变温度的不同相变聚合物，以及添加各种纳米颗粒。

这种“超声墨水”的设计巧妙地解决了长久以来声波穿透深度与声流难以兼顾的难题。一方面，这种“超声墨水”的剪切稀化性质有助于增加超声波的穿透深度，另一方面，相变引起的粘度增加又大大地减小了声流。实验表明，这种“超声墨水”在聚焦超声波焦点附近的流体流动几可忽略不计。实验结果也表明，PNIPAm在实现快速声波加热方面发挥了关键作用。在聚焦超声波几秒钟的作用下，加热区域的峰值温度呈现出初始的缓慢升温，被称为感应期，随后由于PNIPAm相变的影响，在高于36 °C的相变温度后，升温速率显著提高，并能够迅速升温到60~80 °C之间。这种自增强声波效应，可以成功触发乙烯基寡聚物的自由基聚合，实现了快速的胶凝过程。

DAVP的工作原理。图片来源：Science

基于这种“超声墨水”，研究者设计了一台3D打印机，配备三个超声波频率（2.05、3.41和6.86 MHz）的聚焦发声器。通过优化聚焦超声波的扫描速度、频率和功率，可以灵活调整打印机的分辨率。比如，在慢速扫描时，由于存在热积聚，导致纵向尺寸过度固化，大于设计值；而在快速扫描时，由于两端温度增加不足，出现欠固化，低于设计值。最终，研究者成功地将打印参数的轴向固化尺寸范围优化到5.0~9.9 mm。

DAVP的分辨率表征。图片来源：Science

更重要的是，2.05、3.41和6.86 MHz的超声波穿透深度分别为295.2、86.8和28.2 mm，且不依赖墨水的光学性质，这使得3D打印不再受到前驱体透明度的影响。研究者随即打印了蜂窝、血管网络、手模型等复杂结构，并通过添加微量荧光染料、纳米复合物等方式，打印出多种彩色复合结构。

DAVP性能及材料的通用性。图片来源：Science

此外，基于天然高分子的“超声墨水”及固化后的水凝胶都表现出体外细胞相容性，这为其生物医学应用提供了可能。比如，研究者在猪的皮肤层、脂肪和肌肉层，以及猪肝组织（17 mm）和猪肾组织（17 mm）中，分别3D打印出骨形、蜂窝形以及心形模型。研究者随后进行了进一步的概念验证，在3种不同动物组织中完成了3D打印：通过DAVP技术在山羊心脏上实现了左心耳封堵术，可用于治疗非瓣膜性心房颤动；用包含羟基磷灰石纳米颗粒的“超声墨水”在鸡腿胫骨上打印出骨支架；以及在猪肝损伤处使用载有阿霉素的墨水，3D打印了约3 mm厚的有效治疗层，使水凝胶中的药物可以逐渐释放并扩散到肝组织中。

DAVP技术微创治疗应用。图片来源：Science

鸡腿骨上DAVP打印。图片来源：Science

“DVAP技术依赖于声热效应，声波被吸收并增加温度以固化墨水”，姚俊杰教授说，“超声波的穿透深度比光深了100倍以上，因此可以到达组织、骨骼和器官，这是基于光的3D打印方法无法到达的。这项工作在3D打印领域开辟了令人兴奋的新途径，可以实现许多潜在的应用”。[4,5]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing

Xiao Kuang, Qiangzhou Rong, Saud Belal, Tri Vu, Alice M. López López, Nanchao Wang, Mehmet Onur Arıcan, Carlos Ezio Garciamendez-Mijares, Maomao Chen, Junjie Yao, Yu Shrike Zhang

Science, 2023, 382, 1148-1155. DOI: 10.1126/science.adi1563

导师介绍

Yu Shrike Zhang

https://www.x-mol.com/university/faculty/44748 

参考文献：

[1] A. Lee, et al. 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science 2019, 365, 482-487. DOI: 10.1126/science.aav9051

[2] M. Akbari & A. Khademhosseini, Tissue bioprinting for biology and medicine. Cell 2022, 185, 2644-2648. DOI: 10.1016/j.cell.2022.06.015

[3] Ultrasound

https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/ultrasound 

[4] Soundwaves Harden 3D-Printed Treatments in Deep Tissues

https://pratt.duke.edu/news/soundwaves-harden-3d-printed-treatments-in-deep-tissues/ 

[5] Sound waves harden 3D-printed treatments in deep tissues

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

（本文由小希供稿）

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