3D打印機(jī)可以打印出醫(yī)療設(shè)備的原型，設(shè)計(jì)出靈活輕便的電子產(chǎn)品，甚至還能制造出用于傷口愈合的組織。然而，許多此類打印技術(shù)都需要在緩慢而艱苦的過(guò)程中逐點(diǎn)構(gòu)建對(duì)象，這通常需要一個(gè)強(qiáng)大的打印平臺(tái)。

      在過(guò)去幾年中，為了規(guī)避這些問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了一種光敏油墨，它能直接對(duì)目標(biāo)光束做出反應(yīng)，并迅速硬化成所需的結(jié)構(gòu)。雖然這種打印技術(shù)可以大大提高打印速度和質(zhì)量，但研究人員只能使用透明油墨進(jìn)行打印，而且生物醫(yī)學(xué)用途也受到限制，因?yàn)楣饩�無(wú)法深入組織幾毫米。

        日前，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院 Y. Shrike Zhang (張宇)和杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系副教授Junjie Yao開(kāi)發(fā)出了一種新的3D打印方法，稱為深穿透聲學(xué)體積打印（DVAP），可以解決這些問(wèn)題。這項(xiàng)新技術(shù)采用了一種能對(duì)聲波而非光線產(chǎn)生反應(yīng)的特殊墨水，使他們能夠在前所未有的組織深度上創(chuàng)造出具有生物醫(yī)學(xué)用途的結(jié)構(gòu)。

     詳細(xì)而言，研究人員報(bào)告了一種用于DAVP的自增強(qiáng)聲學(xué)墨水（或聲學(xué)墨水）設(shè)計(jì)和相應(yīng)的聚焦超聲書(shū)寫(xiě)技術(shù)。他們利用實(shí)驗(yàn)和聲學(xué)建模研究了與頻率和掃描速率有關(guān)的聲學(xué)打印行為。DAVP實(shí)現(xiàn)了低聲流、快速聲熱聚合和大打印深度的主要特點(diǎn)，從而能夠打印出各種形狀的體積水凝膠和納米復(fù)合材料，而不受其光學(xué)特性的影響。DAVP還能在生物組織中打印厘米深度，為微創(chuàng)醫(yī)學(xué)鋪平道路。相關(guān)研究成果以題為“Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing”發(fā)表在最新一期《Science》上，第一作者為Xiao Kuang、Qiangzhou Rong。

圖. DAVP通過(guò)使用聚焦超聲波固化聲波墨水來(lái)打印3D結(jié)構(gòu)

 DVAP組成

DVAP的第一個(gè)組成部分涉及一種超聲波墨水，稱為超聲波墨水，它是水凝膠、微粒和分子的組合，旨在專門(mén)對(duì)超聲波做出反應(yīng)。一旦聲波墨水被輸送到目標(biāo)區(qū)域，專用的超聲波打印探頭就會(huì)將聚焦超聲波發(fā)送到墨水中，將其部分硬化成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的范圍從模仿骨骼硬度的六邊形支架到可以放置在器官上的水凝膠氣泡。

墨水本身是一種粘性液體，因此可以相當(dāng)容易地注入目標(biāo)區(qū)域，當(dāng)移動(dòng)超聲波打印探頭時(shí)，墨水中的材料會(huì)連接在一起并硬化，完成后，科研人員可以通過(guò)注射器去除任何未固化的剩余墨水。

圖 1. DAVP工作原理及自增強(qiáng)聲諾墨水設(shè)計(jì)

這種聚焦超聲3D打印技術(shù)需要高水平的能量，這有可能使周?chē)�組織過(guò)熱。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員建造了一臺(tái)共焦高強(qiáng)度超聲波打印機(jī)。該系統(tǒng)使用兩個(gè)超聲波換能器，它們以橫梁模式排列，允許兩個(gè)超聲波前重疊。這種設(shè)計(jì)不僅減少了每個(gè)傳感器所需的能量，還提高了超聲波打印機(jī)的分辨率和速度。

圖 2. DAVP 打印分辨率的表征

 3D形狀

首先，研究人員將一個(gè)聚焦超聲波換能器懸掛在一個(gè)充滿新型墨水的房間上方。換能器和墨水之間有一種“匹配介質(zhì)”，這種物質(zhì)在大多數(shù)超聲波方法中使用，可確保超聲波的有效傳輸。通過(guò)使用計(jì)算機(jī)程序精確控制超聲波換能器復(fù)雜的3D運(yùn)動(dòng)，研究人員能夠在墨水室內(nèi)不同深度處創(chuàng)建各種不同的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)具有各種尺寸和復(fù)雜的幾何形狀，包括多層蜂窩、分支血管網(wǎng)絡(luò)和類似于手或蜘蛛的復(fù)雜模型等物體。

接下來(lái)，研究人員想要確定他們的技術(shù)是否可以用于3D打印生物組織。他們將厚度不等（最大17毫米）的豬組織放在充滿墨水的室頂部。將換能器放置在上方，研究人員引導(dǎo)超聲波穿過(guò)組織并進(jìn)入下方的腔室。他們成功地通過(guò)幾種不同類型的組織打印了各種不同的結(jié)構(gòu)，包括豬肝臟和由多層（如皮膚、脂肪和肌肉）組成的豬組織模型。

圖 3. DAVP 性能和材料通用性

 概念驗(yàn)證

作為新技術(shù)的概念驗(yàn)證，研究人員進(jìn)行了三次測(cè)試。

第一項(xiàng)試驗(yàn)是用墨水封閉山羊心臟的一個(gè)部分。當(dāng)人患有非瓣膜性心房顫動(dòng)時(shí)，心臟無(wú)法正常跳動(dòng)，導(dǎo)致血液在器官內(nèi)積聚。傳統(tǒng)的治療方法通常需要開(kāi)胸手術(shù)來(lái)封閉左心房闌尾，以降低血栓和心臟病發(fā)作的風(fēng)險(xiǎn)。相反，研究人員使用導(dǎo)管將聲波墨水輸送到放置在打印室中的山羊心臟左心房附壁。然后，超聲探頭將聚焦超聲波穿過(guò)12毫米的組織，使油墨變硬，而不會(huì)損壞周?chē)�的任何器官。這一過(guò)程完成后，油墨就安全地粘合到了心臟組織上，并且具有足夠的柔韌性，能夠承受模仿心臟跳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。

接下來(lái)，研究人員測(cè)試了DVAP用于組織重建和再生的潛力。在用雞腿制作了一個(gè)骨缺損模型后，研究人員注入了聲波墨水，并通過(guò)10毫米的樣本皮膚和肌肉組織層使其硬化。由此產(chǎn)生的材料與骨骼結(jié)合得天衣無(wú)縫，而且不會(huì)對(duì)周?chē)�的任何組織產(chǎn)生負(fù)面影響。

最后，研究人員表明DVAP也可用于治療藥物輸送。在他們的例子中，他們?cè)谀�水中添加了一種常見(jiàn)的化療藥物，并將其輸送到肝臟組織樣本中。他們使用探針將聲墨水硬化成水凝膠，緩慢釋放化療藥物并擴(kuò)散到肝組織中。

圖 4. DAVP 用于通過(guò)組織打印和微創(chuàng)治療進(jìn)行概念驗(yàn)證

 總結(jié)與展望未來(lái)

利用 FUS 波的深穿透能力、低聲流和粘彈性自增強(qiáng)聲墨的快速聲聚合，作者開(kāi)發(fā)出了一種 DAVP 技術(shù)，它可以在沒(méi)有構(gòu)建平臺(tái)的情況下，以高打印保真度和分辨率構(gòu)建體積構(gòu)造。熱響應(yīng)自適應(yīng)聲波吸收器的使用解決了 FUS 暴露時(shí)聲波流和深度穿透之間的矛盾。自增強(qiáng)聲墨和非線性聲波傳播共同增強(qiáng)了 FUS 焦點(diǎn)處的聲熱加熱，從而使材料快速、有選擇性地凝固為構(gòu)建體素。基于熱累積的固化機(jī)制產(chǎn)生了毫米級(jí)的各向異性打印分辨率，通過(guò)優(yōu)化 FUS 頻率和掃描速度的打印參數(shù)以及使用共焦雙傳感器配置，可進(jìn)一步提高分辨率。FUS 波的深層穿透力使不透明（納米）復(fù)合材料的體積制造和厘米厚組織的打印成為可能，而最先進(jìn)的光基打印技術(shù)則無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。自增強(qiáng)聲墨設(shè)計(jì)可用于不同系統(tǒng)，極大地?cái)U(kuò)展了聲學(xué)打印技術(shù)的材料庫(kù)。

(責(zé)任編輯：admin)

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