使用声波的体内三维打印

此前，科学家们已使用红外光在活体动物内触发聚合作用，即聚合物基本单元或单体的连接。加州理工学院医学工程教授、Heritage医学研究所研究员魏高表示：“但红外穿透非常有限。它只能到达皮肤下层。”“我们的新技术可达深层组织，并能打印多种材料用于广泛的应用，同时保持优异的生物相容性。”

魏高及其同事在《科学》期刊上报告了他们新的体内3D打印技术。除了用于药物和细胞输送的生物粘附凝胶和聚合物外，该论文还描述了使用该技术打印生物电水凝胶，这是一种嵌入导电材料的聚合物，用于内部监测生理生命体征，如心电图（ECG）。该研究的首席作者是Elham Davoodi，犹他大学机械工程助理教授，她在加州理工学院担任博士后学者期间完成了这项工作。

一个新颖想法的起源

魏高和他的同事们想找出一种方法来实现深层组织的体内打印，于是转向了超声波，这是一种在生物医学中广泛用于深层组织穿透的平台。但他们需要一种方式在特定位置仅在需要时触发交联或单体的结合。

他们提出了一个新颖的方法：将超声波与低温敏感的脂质体结合。这种脂质体是具有保护性脂肪层的球形细胞样囊泡，常用于药物输送。在新工作中，科学家们将交联剂装入脂质体中，并将其嵌入聚合物溶液中，该溶液包含他们要打印的聚合物的单体、一种可显示交联何时发生的成像造影剂，以及他们希望输送的货物——例如治疗药物。还可以包括其他组件，如细胞和导电材料如碳纳米管或银。复合生物墨水然后被直接注入体内。

微调温度以触发打印

脂质体颗粒具有低温敏感性，这意味着通过使用聚焦超声波将小目标区域的温度提高约5摄氏度，科学家可以触发有效载荷的释放并启动聚合物的打印。

“将温度提高几摄氏度就足以让脂质体颗粒释放我们的交联剂，”魏高说。“在试剂释放的地方，局部聚合或打印就会发生。”

该团队使用源自细菌的气囊泡作为成像造影剂。这些囊泡是充满空气的蛋白质囊，在超声成像中显示强烈，并敏感于当液体单体溶液交联形成凝胶网络时发生的化学变化。当转变发生时，囊泡实际上改变对比度，通过超声成像检测，允许科学家轻松识别聚合交联发生的时间和精确位置，使他们能够定制在活体动物中打印的图案。

该团队将这项新技术称为深层组织体内声打印（DISP）平台。

当团队在小鼠膀胱肿瘤附近使用DISP平台打印载有化疗药物阿霉素的聚合物时，他们发现与通过直接注射药物溶液接收药物的动物相比，几天内肿瘤细胞死亡显著增加。

“我们已经在小动物中表明我们可以打印载药水凝胶用于肿瘤治疗，”魏高说。“我们的下一阶段是尝试在更大的动物模型中打印，并希望在不久的将来，我们可以在人类中评估这一技术。”

该团队还相信机器学习可以增强DISP平台精确定位和应用聚焦超声波的能力。“未来，在AI的帮助下，我们希望能够在移动器官如跳动的心脏内自主触发高精度打印，”魏高说。

这项工作得到了美国国立卫生研究院、美国癌症协会、Heritage医学研究所和加州大学洛杉矶分校挑战倡议的资助。荧光显微镜在加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的高级光学显微镜/光谱学实验室和徕卡卓越中心进行。