【华e生活大唐编译】杜克大学和哈佛医学院的工程师们已经开发出一种生物相容性墨水，通过吸收超声波固化成不同的3D形状和结构。因为这种墨水对声波而不是光做出反应，所以它可以用于深层组织从骨愈合到心脏瓣膜修复。
这项研究发表在12月7日的《科学》杂志上。
3D打印工具的用途不断增加。打印机可以制造医疗设备的原型，设计灵活、轻便的电子产品，甚至可以设计用于伤口愈合的组织。但是，这些打印技术中的许多都涉及到逐点构建物体，这是一个缓慢而艰巨的过程，通常需要一个强大的打印平台。
为了避免这些问题，在过去的几年里，研究人员开发了一种光敏墨水，它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的速度和质量，但研究人员只能使用透明墨水进行打印，而且生物医学用途有限，因为光不能到达组织深处超过几毫米。
现在，布里格姆妇女医院(Brigham and Women’s Hospital)的副生物工程师、哈佛医学院副教授张伯瑞克(Y. Shrike Zhang)和杜克大学生物医学工程副教授姚俊杰(Junjie Yao)开发了一种新的打印方法，称为深穿透声学体积打印(deep-penetrating acoustic volumetric printing，简称DVAP)，解决了这些问题。这项新技术涉及一种特殊的墨水，它对声波而不是光起反应，使它们能够在前所未有的组织深度上创造出生物医学上有用的结构。
DAVP通过聚焦超声波固化声纳油墨来打印3D结构。声热效应触发声油墨的分解，在超声聚焦区形成聚合物网络。
为DVAP设计超声波打印技术的姚解释说:“DVAP依赖于声温效应，当声波被吸收并提高温度时，我们的墨水就会硬化。”“超声波的穿透深度是光的100多倍，但仍然受到空间限制，因此我们可以以高空间精度到达组织、骨骼和器官，这是光基打印方法无法达到的。”
DVAP的第一个组成部分涉及一种名为sono-ink的声波墨水，它是水凝胶、微粒和分子的组合，专门用于对超声波做出反应。一旦超声波墨水被输送到目标区域，一个专门的超声波打印探针将聚焦的超声波送入墨水，使其部分硬化成复杂的结构。这些结构可以是模仿骨骼硬度的六边形支架，也可以是放置在器官上的水凝胶泡沫。
“墨水本身是一种粘性液体，所以它可以很容易地注入目标区域，当你移动超声波打印探针时，墨水中的材料会连接在一起并变硬，”张说，他在布里格姆的实验室设计了这种超声波墨水。“完成后，你可以通过注射器去除任何未固化的剩余墨水。”
索墨的不同成分使研究人员能够调整配方以适应各种用途。例如，如果他们想制造一个支架来帮助愈合骨折或弥补骨质流失，他们可以在墨水中添加骨矿物颗粒。这种灵活性也使他们能够根据其用途设计更耐用或更可降解的硬化配方。他们甚至可以调整最终打印的颜色。
该团队进行了三次测试，以验证他们的新技术的概念。第一种方法是用墨水封住山羊心脏的一部分。当一个人患有非瓣膜性心房颤动时，心脏不能正常跳动，导致血液在器官内淤积。传统的治疗方法通常需要开胸手术来封闭左心房附件，以降低血栓和心脏病发作的风险。
DAVP的打印过程可以在几分钟内关闭左心房附件。
该团队使用导管将他们的超声墨水输送到放置在打印室中的山羊心脏的左心房附件。然后，超声波探头通过12毫米的组织发出聚焦的超声波，使墨水硬化，而不会损害周围的任何器官。一旦这个过程完成，墨水被安全地粘在心脏组织上，并且足够灵活，可以承受模仿心脏跳动的运动。
接下来，研究小组测试了DVAP用于组织重建和再生的潜力。在用鸡腿制作骨缺损模型后，研究小组注射了超声墨水，并通过10毫米的皮肤和肌肉组织层使其硬化。由此产生的材料与骨骼无缝结合，不会对任何周围组织产生负面影响。
最后，姚和张表明，DVAP也可以用于治疗性药物输送。在他们的例子中，他们在墨水中加入了一种常见的化疗药物，并将其输送到肝脏组织样本中。使用探针，他们将声波墨水硬化成水凝胶，慢慢释放化疗并扩散到肝组织中。
“我们离将这种工具应用于临床还有很长的路要走，但这些测试再次肯定了这项技术的潜力，”张说。“我们非常兴奋地看到它能从这里走向何方。”
他说:“因为我们可以通过组织进行打印，所以它可以在手术和治疗中有很多潜在的应用，而传统的手术和治疗方法都是非常具有侵入性和破坏性的。”“这项工作为3D打印世界开辟了一条令人兴奋的新途径，我们很高兴能够共同探索这一工具的潜力。”
