哈佛、杜克最新Science：深穿透声学体积3D打印技术
3D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，甚至还能制造出用于伤口愈合的组织。然而，许多此类打印技术都需要在缓慢而艰苦的过程中逐点构建对象，这通常需要一个强大的打印平台。
在过去几年中，为了规避这些问题，研究人员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。虽然这种打印技术可以大大提高打印速度和质量，但研究人员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，因为光线无法深入组织几毫米。
日前，哈佛大学医学院 Y. Shrike Zhang (张宇)和杜克大学生物医学工程系副教授Junjie Yao开发出了一种新的3D打印方法，称为深穿透声学体积打印（DVAP），可以解决这些问题。这项新技术采用了一种能对声波而非光线产生反应的特殊墨水，使他们能够在前所未有的组织深度上创造出具有生物医学用途的结构。
详细而言，研究人员报告了一种用于DAVP的自增强声学墨水（或声学墨水）设计和相应的聚焦超声书写技术。他们利用实验和声学建模研究了与频率和扫描速率有关的声学打印行为。DAVP实现了低声流、快速声热聚合和大打印深度的主要特点，从而能够打印出各种形状的体积水凝胶和纳米复合材料，而不受其光学特性的影响。DAVP还能在生物组织中打印厘米深度，为微创医学铺平道路。相关研究成果以题为“Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing”发表在最新一期《Science》上，第一作者为Xiao Kuang、Qiangzhou Rong。
图. DAVP通过使用聚焦超声波固化声波墨水来打印3D结构
DVAP组成
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，完成后，科研人员可以通过注射器去除任何未固化的剩余墨水。
图 1. DAVP工作原理及自增强声诺墨水设计
这种聚焦超声3D打印技术需要高水平的能量，这有可能使周围组织过热。为了解决这个问题，研究人员建造了一台共焦高强度超声波打印机。该系统使用两个超声波换能器，它们以横梁模式排列，允许两个超声波前重叠。这种设计不仅减少了每个传感器所需的能量，还提高了超声波打印机的分辨率和速度。
图 2. DAVP 打印分辨率的表征
3D形状
首先，研究人员将一个聚焦超声波换能器悬挂在一个充满新型墨水的房间上方。换能器和墨水之间有一种“匹配介质”，这种物质在大多数超声波方法中使用，可确保超声波的有效传输。通过使用计算机程序精确控制超声波换能器复杂的3D运动，研究人员能够在墨水室内不同深度处创建各种不同的结构。这些结构具有各种尺寸和复杂的几何形状，包括多层蜂窝、分支血管网络和类似于手或蜘蛛的复杂模型等物体。
接下来，研究人员想要确定他们的技术是否可以用于3D打印生物组织。他们将厚度不等（最大17毫米）的猪组织放在充满墨水的室顶部。将换能器放置在上方，研究人员引导超声波穿过组织并进入下方的腔室。他们成功地通过几种不同类型的组织打印了各种不同的结构，包括猪肝脏和由多层（如皮肤、脂肪和肌肉）组成的猪组织模型。
图 3. DAVP 性能和材料通用性
概念验证
作为新技术的概念验证，研究人员进行了三次测试。
第一项试验是用墨水封闭山羊心脏的一个部分。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房阑尾，以降低血栓和心脏病发作的风险。相反，研究人员使用导管将声波墨水输送到放置在打印室中的山羊心脏左心房附壁。然后，超声探头将聚焦超声波穿过12毫米的组织，使油墨变硬，而不会损坏周围的任何器官。这一过程完成后，油墨就安全地粘合到了心脏组织上，并且具有足够的柔韧性，能够承受模仿心脏跳动的运动。
接下来，研究人员测试了DVAP用于组织重建和再生的潜力。在用鸡腿制作了一个骨缺损模型后，研究人员注入了声波墨水，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骼结合得天衣无缝，而且不会对周围的任何组织产生负面影响。
最后，研究人员表明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。
图 4. DAVP 用于通过组织打印和微创治疗进行概念验证
总结与展望未来
利用 FUS 波的深穿透能力、低声流和粘弹性自增强声墨的快速声聚合，作者开发出了一种 DAVP 技术，它可以在没有构建平台的情况下，以高打印保真度和分辨率构建体积构造。热响应自适应声波吸收器的使用解决了 FUS 暴露时声波流和深度穿透之间的矛盾。自增强声墨和非线性声波传播共同增强了 FUS 焦点处的声热加热，从而使材料快速、有选择性地凝固为构建体素。基于热累积的固化机制产生了毫米级的各向异性打印分辨率，通过优化 FUS 频率和扫描速度的打印参数以及使用共焦双传感器配置，可进一步提高分辨率。FUS 波的深层穿透力使不透明（纳米）复合材料的体积制造和厘米厚组织的打印成为可能，而最先进的光基打印技术则无法实现这一点。自增强声墨设计可用于不同系统，极大地扩展了声学打印技术的材料库。
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