新技术用于细胞或药物输送、生物电材料的定位以及伤口愈合，利用超声波激活体内的打印。
设想一下，如果医生能够准确打印出微型胶囊，能够将组织修复所需的细胞精确输送到心脏中所需的位置。加州理工学院的科学家团队在实现这一最终目标方面迈出了重要一步，他们开发了一种在活体动物内部特定位置进行3D打印聚合物的方法。这项技术依赖于声波进行定位，已被用于打印聚合物胶囊以进行选择性药物输送，以及用于封闭内伤的胶水状聚合物。
之前，科学家们使用红外光触发聚合，即在活体动物体内将聚合物的基本单元（或单体）连接起来。“但是红外线的穿透能力非常有限，仅能达到皮肤下方，”加州理工学院的医学工程教授及遗产医学研究所研究员韦高（Wei Gao）表示。“我们的新技术可以深入组织，并能打印多种材料，用于广泛的应用，同时保持良好的生物相容性。”
韦高和他的同事们在《科学》杂志上报告了他们的新型体内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，该论文还描述了该技术用于打印生物电水凝胶，这些聚合物中嵌入导电材料，用于内部监测生理生命体征，例如心电图（ECG）。研究的主要作者是犹他大学机械工程的助理教授埃尔哈姆·达沃迪（Elham Davoodi），她在加州理工学院完成了这项工作。
新颖想法的起源
为了实现深层组织体内打印，韦高和他的同事们转向了超声波，这是一种在生物医学领域广泛用于深层组织穿透的平台。但他们需要一种方法在特定位置触发交联，或单体结合，仅在需要时进行。
他们提出了一种新颖的方法：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，科学家们用交联剂填充脂质体，并将其嵌入含有所需打印聚合物单体、成像对比剂（能在交联发生时显现），以及他们希望输送的货物（例如治疗药物）的聚合物溶液中。额外的成分可以包括细胞和导电材料，如碳纳米管或银。复合生物墨水随后直接注入体内。
稍微提高温度即可触发打印
脂质体颗粒对低温敏感，这意味着通过使用聚焦超声将小目标区域的温度提高约5摄氏度，科学家们可以触发其负载的释放，并启动聚合物的打印。
“将温度提高几度就足以让脂质体颗粒释放我们的交联剂，”韦高表示。“交联剂被释放的地方，就是局部聚合或打印发生的地方。”
该团队使用来自细菌的气体囊泡作为成像对比剂。这些囊泡是充满空气的蛋白质胶囊，在超声成像中显示效果显著，并对液体单体溶液交联以形成凝胶网络时发生的化学变化敏感。当变换发生时，囊泡实际上在超声成像中呈现对比度变化，使科学家能够轻松识别出聚合反应发生的时间和具体位置，从而使他们能够定制在活体动物中打印的图案。
该团队将新技术称为深层组织体内声波打印（DISP）平台。
当团队使用DISP平台在小鼠膀胱肿瘤附近打印载有多柔比星的聚合物时，他们发现，与直接注射药物溶液的动物相比，肿瘤细胞死亡率显著更高，持续了几天。
“我们已经在小动物中证明可以打印载药的水凝胶用于肿瘤治疗，”韦高说。“我们的下一阶段是尝试在更大的动物模型中进行打印，希望在不久的将来，我们能在人体中评估这一技术。”
团队还认为，机器学习可以增强DISP平台准确定位和应用聚焦超声的能力。“未来，在人工智能的帮助下，我们希望能够在像搏动的心脏这样的移动器官内自主触发高精度的打印，”韦高说。
该项目得到了美国国立卫生院、美国癌症协会、遗产医学研究所和加州大学洛杉矶分校挑战倡议的支持。荧光显微镜实验在加州大学洛杉矶分校先进光学显微镜/光谱实验室和徕卡卓越中心进行。
