哈佛医学院Yu Shrike Zhang教授、杜克大学姚俊杰教授 Science：一种自增强声纳油墨可实现深穿透声学3D打印

3D打印以其直接制造原型、高性能材料、多材料零件、柔性电子器件、医疗器械和工程组织的几何复杂结构的能力而备受关注。然而目前开发的打印方法通常需要由线性平移台控制的构建平台来逐步固化材料。立体打印是一种新兴的增材制造技术，通过放弃逐步的油墨更新步骤，以制造具有增强的打印速度和表面质量的物体。现有的立体打印技术几乎完全依赖于光能，以引发透明油墨中的光聚合反应，这限制了材料的选择和打印尺寸。因此，基于光的立体打印在深穿透数字制造方案中的应用以及在微创制造场景中的应用被大大限制。

2023年12月7日，哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang（张宇）副教授、杜克大学生物医学工程系Junjie Yao（姚俊杰）副教授团队合作在Science期刊发表题为“Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing”的研究论文，哈佛大学医学院匡晓博士、杜克大学荣强周博士（现于圣路易斯华盛顿大学从事研究工作；2015年博士毕业于西北大学物理学院，导师：乔学光教授）/Saud Belal为论文共同第一作者，张宇副教授、姚俊杰副教授为论文共同通讯作者

这项新技术采用了一种能对声波而非光线产生反应的特殊墨水。随后研究者使用实验和声学建模来研究与频率和扫描速率相关的声学打印行为。DAVP实现了低声流、快速声热聚合和大印刷深度的关键特征，无论其光学性质如何，都可以打印各种形状的体积水凝胶和纳米复合材料。DAVP还允许在厘米深的生物组织中进行打印，为微创医学奠定了基础。

图1. DAVP的工作原理和自增强声波墨水的设计

DVAP的第一个组成部分涉及一种超声波墨水，称为超声波墨水，它是水凝胶、微粒和分子的组合，旨在专门对超声波做出反应。一旦声波墨水被输送到目标区域，专用的超声波打印探头就会将聚焦超声波发送到墨水中，将其部分硬化成复杂的结构。这些结构的范围从模仿骨骼硬度的六边形支架到可以放置在器官上的水凝胶气泡。墨水本身是一种粘性液体，因此可以相当容易地注入目标区域，当移动超声波打印探头时，墨水中的材料会连接在一起并硬化，完成后，科研人员可以通过注射器去除任何未固化的剩余墨水。这种聚焦超声打印技术需要高水平的能量，这有可能使周围组织过热。为了解决这个问题，研究人员建造了一台共焦高强度超声波打印机。该系统使用两个超声波换能器，它们以横梁模式排列，允许两个超声波前重叠。这种设计不仅减少了每个传感器所需的能量，还提高了超声波打印机的分辨率和速度。

图2. DAVP打印分辨率的表征

首先，研究人员将一个聚焦超声波换能器悬挂在一个充满新型墨水的房间上方。换能器和墨水之间有一种“匹配介质”，这种物质在大多数超声波方法中使用，可确保超声波的有效传输。通过使用计算机程序精确控制超声波换能器复杂的3D运动，研究人员能够在墨水室内不同深度处创建各种不同的结构。这些结构具有各种尺寸和复杂的几何形状，包括多层蜂窝、分支血管网络和类似于手或蜘蛛的复杂模型等物体。接下来，研究人员想要确定他们的技术是否可以用于打印生物组织。他们将厚度不等（最大17毫米）的猪组织放在充满墨水的室顶部。将换能器放置在上方，研究人员引导超声波穿过组织并进入下方的腔室。他们成功地通过几种不同类型的组织打印了各种不同的结构，包括猪肝脏和由多层（如皮肤、脂肪和肌肉）组成的猪组织模型。

图3. DAVP性能和材料通用性

作为新技术的概念验证，研究人员进行了三项测试。第一项测试是用墨水封闭山羊心脏的一个部分。当人患有非瓣膜性心房颤动时，心脏无法正常跳动，导致血液在器官内积聚。传统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。相反，研究团队使用导管将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，超声探头将聚焦超声波穿过12mm的组织，使墨水变硬，而不会损坏周围任何器官。这一过程完成后，油墨安全粘合到了心脏组织上，并且具有足够柔韧性，能够承受模仿心脏跳动的运动。随后，研究团队测试了DVAP用于组织重建和再生的潜力。在用鸡腿制作了一个骨缺损模型后，研究小组将声波墨水注入10mm厚的样本皮肤和肌肉组织层并使其硬化，由此产生的材料与骨骼无缝粘合，对周围组织没有任何负面影响。最后展示了DVAP用于治疗药物的输送，研究团队在墨水中添加了一种常见的化疗药物，并将其输送到肝脏组织样本中。利用探针将声波墨水硬化成水凝胶，慢慢释放化疗药物并扩散到肝脏组织中。虽然DVAP技术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，发展前景值得期待。

图4. DAVP用于通过组织打印和微创治疗进行概念验证

利用FUS波的深度穿透能力、低声流和粘弹性自增强声油墨的快速声聚合，研究者开发了一种DAVP技术，该技术可以在没有构建平台的情况下以高打印保真度和分辨率进行立体打印。热响应自适应声波吸收器的使用解决了FUS暴露时声流和深度穿透之间的冲突。自增强声墨和非线性声传播共同增强了FUS焦点处的声热加热，以实现作为构建体素的快速和选择性材料固化。基于热积累的固化机制导致了毫米级的各向异性打印分辨率，这可以通过优化FUS频率和扫描速度的打印参数以及使用共焦双换能器配置来进一步提高。FUS波的深度穿透允许不透明复合材料的立体打印和打印厘米厚的组织，而这是通过最先进的基于光的打印技术无法实现的。自增强超声墨水设计可以推广到不同的系统，极大地扩展了声学打印技术的材料库。

作者简介

匡晓，哈佛大学医学院博士后、塔夫茨大学生物医学工程系Part-Time Instructor。研究兴趣：融合自适应生物材料和超声干预技术，与人体无缝对接，实现精准微创医疗。2011年本科毕业于北京化工大学材料科学与工程学院；2016年博士毕业于中国科学院化学研究所，导师：王笃金研究员；2016-2020年于佐治亚理工学院机械工程系从事博士后研究，合作导师：Hang Jerry Qi教授；2020年至今于哈佛大学医学院从事博士后研究，合作导师：Yu Shrike Zhang（张宇）教授；2023年1月至今于塔夫茨大学生物医学工程系开展研究工作。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1563

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