《Science》加州理工学院高伟团队：首次在活体动物的深部组织中实现了高精度3D生物打印！

2025年5月8日，《Science》杂志发表了一项革命性研究——加州理工学院高伟团队开发的“成像引导深部组织体内声打印（DISP）”技术，首次在活体动物的深部组织中实现了高精度3D生物打印。这项技术通过超声波实时引导，无需外科手术即可在体内直接打印功能性生物材料，为药物递送、组织修复等医疗应用提供了全新解决方案。

技术突破：超声波驱动“无创手术”

传统3D生物打印依赖侵入性手术植入体外制造的生物结构，而DISP技术通过创新的“超声波墨水（US-ink）”和聚焦超声波（FUS），直接在体内目标部位完成打印。US-ink由生物聚合物、交联剂载体（低温敏感脂质体，LTSLs）及超声成像对比剂（气体囊泡，GVs）组成。注射至体内后，FUS精准加热目标区域，触发脂质体释放交联剂，使墨水迅速固化成型。

图1.成像引导深部组织体内声打印（DISP）技术

图2. 低温敏感脂质体的合成与表征，用于交联剂的控制释放。

核心优势：

· 高分辨率与速度：打印分辨率达150微米，速度最高40毫米/秒，远超传统光固化技术。

· 多功能材料兼容：可打印导电水凝胶（用于生物电子器件）、载药凝胶（靶向治疗）、含细胞凝胶（组织再生）及生物粘合剂（伤口密封）。

· 实时成像监控：GV超声波对比剂实时显示打印过程，确保定位精准，减少脱靶风险。

图3. 超声诱导3D打印的表征。

图4. 基于深层组织体内功能生物材料3D打印用于各种医疗应用。

实验验证：从小鼠到兔子的成功案例

研究团队在小鼠膀胱肿瘤附近及兔子腿部肌肉深处进行了活体打印实验：

1.局部药物递送：载有化疗药物阿霉素的凝胶在小鼠膀胱肿瘤处打印，显著提升肿瘤细胞杀伤效果（对比游离药物）。

2.组织修复：含小鼠成肌细胞的凝胶在兔肌肉中打印，细胞存活率超90%，7天后仍保持活性与正常代谢。

3.生物粘合：基于儿茶酚修饰明胶的粘合凝胶成功密封心脏组织穿孔，粘附强度提高3倍以上。

安全性与稳定性：生物相容性测试显示，打印材料对皮肤、肌肉等组织无毒性或炎症反应，且凝胶在体内可稳定存在数周，必要时可通过螯合剂（如EDTA）溶解清除。

图5. 影像引导下的活体深层组织超声诱导3D打印。

未来挑战与展望

尽管DISP技术已展现巨大潜力，但复杂器官（如心脏、肺部）的动态环境仍对打印精度构成挑战。研究团队计划结合机器学习优化超声波定位系统，进一步提升适应性。论文通讯作者Wei Gao教授表示：“DISP为个性化医疗提供了全新工具，未来或可实现在体内‘按需打印’替代组织或智能药物工厂。”

来源：高分子科学前沿