体内声学3D打印

此前，科学家们曾利用红外光在活体动物体内触发聚合反应——即聚合物的基本单元（单体）之间的连接。加州理工学院医学工程学教授、Heritage医学研究所研究员高伟（音译）表示：“但红外穿透深度非常有限，仅能达到皮下位置。我们的新技术可抵达深层组织，并且能够打印多种材料以适用于广泛的应用领域，同时保持出色的生物相容性。”

高伟及其同事在Science（《科学》）期刊上报告了这种新型体内3D打印技术。除用于药物和细胞递送的生物粘附凝胶和聚合物外，论文还描述了利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，可用于心电图（ECG）等生理生命体征的内部监测。该研究的主要作者是犹他大学机械工程助理教授Elham Davoodi博士，她在加州理工学院进行博士后研究期间完成了此项工作。

创新理念的起源

为寻求实现深层组织体内打印的方法，研究团队转向了超声技术——这种在生物医学领域广泛应用的平台具有深层组织穿透能力。但他们需要找到一种能在特定位置按需触发交联（即单体结合）的方法。

他们提出了一种创新方案：将超声与低温敏感脂质体相结合。这类具有保护性脂肪层的球形细胞状囊泡常用于药物递送。在新工作中，科学家们将交联剂载入脂质体，并将其嵌入含有目标聚合物单体的聚合物溶液中。该溶液还包含用于显示交联发生的成像造影剂，以及待递送的有效载荷（如治疗药物）。还可添加其他组件，例如细胞和碳纳米管或银等导电材料。随后将复合生物墨水直接注射入体内。

微温触发打印

脂质体颗粒具有低温敏感性，这意味着通过聚焦超声将目标小区域的温度提高约5摄氏度，科学家即可触发有效载荷释放并启动聚合物打印。

高伟解释道：“仅需几摄氏度的温升就足以促使脂质体颗粒释放交联剂。药剂释放之处，就是局部聚合或打印发生之地。”

团队采用源自细菌的气囊泡作为成像造影剂。这种由蛋白质构成的充气胶囊在超声成像中显影强烈，且对液态单体溶液交联形成凝胶网络的化学变化极为敏感。当转变发生时，囊泡的超声成像对比度实际发生变化，使科学家能轻松识别聚合交联发生的精确时空位置，从而定制活体动物内的打印图案。

团队将这项新技术命名为深层组织体内声学打印（DISP）平台。

当团队使用DISP平台在小鼠膀胱肿瘤附近打印载有化疗药物阿霉素的聚合物时，发现与直接注射药物溶液的对照组相比，实验组动物在数日内肿瘤细胞死亡率显著提高。

高伟表示：“我们已在小动物模型中证明可打印载药水凝胶用于肿瘤治疗。下一阶段将尝试在大型动物模型中打印，并有望在不久的将来进行人体评估。”

团队还认为机器学习能增强DISP平台精确定位和实施聚焦超声的能力。“未来借助人工智能，我们期望能在搏动心脏等运动器官内实现自主触发的高精度打印。”高伟补充道。

本研究获得了美国国立卫生研究院、美国癌症协会、Heritage医学研究所以及加州大学洛杉矶分校挑战计划的资助。荧光显微镜检测在加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的先进光学显微镜/光谱学实验室及徕卡卓越中心完成。