我們的身體不斷地分解。隨著時間的推移，其內(nèi)置的修復(fù)機(jī)制也會失效。膝蓋軟骨磨損殆盡，髖關(guān)節(jié)不再能支撐重量。乳腺癌和其他健康問題的治療需要通過手術(shù)切除。由于身體無法再生這些組織，使用生物材料進(jìn)行重建通常是唯一的方法。

傳統(tǒng)上，這種修復(fù)包括通用尺寸的乳房植入物或髖關(guān)節(jié)。最近，3D生物打印組織已開始為患者量身定制。但是，這些人工組織是在體外打印的，仍然需要額外的外科手術(shù)植入，這增加了疤痕、炎癥或感染的風(fēng)險，并延長了愈合時間。

本月，加州理工學(xué)院的一個團(tuán)隊公布了一種在體內(nèi) 3D打印組織（無需手術(shù)）的系統(tǒng)。該系統(tǒng)被稱為深層組織體內(nèi)聲打印 (DISP)，使用一種在體溫下為液體但被超聲波照射時會凝固成結(jié)構(gòu)的注射式生物墨水。一種同樣對超聲波敏感的監(jiān)測分子可以實時跟蹤組織打印過程。多余的生物墨水會被身體安全地分解。

在測試中，該團(tuán)隊在兔子的胃和老鼠的膀胱內(nèi) 3D 打印了組織。他們還添加了導(dǎo)電納米顆粒，以制造軟生物傳感器和藥物（抗癌藥物或抗菌藥物）儲存庫，這些藥物在受到超聲波照射時會釋放其有效載荷。

未參與這項研究的哈佛醫(yī)學(xué)院的余施銳張告訴 IEEE Spectrum：“這項工作真正擴(kuò)展了基于超聲波打印的范圍，并展示了其轉(zhuǎn)化能力。這非常令人興奮?！?/p>

從光到聲

由于其多功能性，3D 打印技術(shù)激發(fā)了生物工程師的想象力。該技術(shù)可用于制造人工生物組織、器官或醫(yī)療設(shè)備。

生物打印機(jī)通常一次沉積一層。每一層都用光固化，然后在其上鋪設(shè)下一層。這種逐層過程需要時間。最近，一種稱為體積打印的升級方法通過一次精心定制的光照射來固化 3D 結(jié)構(gòu)。這種方法更快，但也受到光穿透組織深度的限制。

未參與該研究的威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的蕭匡在《科學(xué)》雜志上寫道，例如，紅外光可以在薄薄的皮膚和肌肉層下塑造植入物。但是，光線越深入體內(nèi)，就會變得越暗淡和散射。這限制了“在毫米厚的組織下方——或者幾乎就在皮膚下方——直接打印植入物”。

超聲波最廣為人知的用途是監(jiān)測懷孕，在這方面具有優(yōu)勢。它可以深入器官（近八英寸），而不會對其造成損害。科學(xué)家們一直在探索聚焦超聲，即將特定頻率的聲波 направлять 向組織，以此來監(jiān)測大腦和肌肉活動。

超聲波還可以觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)。2023 年，張及其同事設(shè)計了一種名為“聲墨”的分子混合物，該混合物在受到特定頻率的聲波照射時會凝固。該團(tuán)隊在分離的豬肚、肝臟和腎臟內(nèi) 3D 打印了多種形狀，并修復(fù)了山羊心臟的組織損傷。

但是，這種墨水對身體的壓力和其他干擾很敏感，導(dǎo)致打印速度較慢且分辨率較差。聲波還會產(chǎn)生熱量，這使得一些聲墨在形成預(yù)期結(jié)構(gòu)之前就硬化了。此外，墨水中的其他分子和組織中的局部熱峰增加了生物相容性風(fēng)險。

匡寫道：“在體內(nèi)進(jìn)行超聲波 3D 打印比看起來更具挑戰(zhàn)性。”

一種新墨水

新系統(tǒng)依賴于升級后的聲墨。

這種墨水將多種成分組合成一種混合物。首先是分子鏈，這些分子鏈通常自由漂浮，但在獲得分子信號時會相互抓住。與這些分子鏈伴隨的是充滿結(jié)合分子（即分子信號）的脂肪泡，這些脂肪泡在暴露于超聲波時會釋放其有效載荷。最后封裝的成分包括多種化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)會散射聲波，并在特定聲波照射時發(fā)光。這些有助于研究團(tuán)隊可視化墨水的位置，并確定它是否形成了所需的結(jié)構(gòu)。

匡寫道，新的裝置“阻止了體溫下過早的化學(xué)反應(yīng)，并更好地控制了打印過程”。