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加州理工學院高偉教授課題組與合作者 Science:基于聲波驅動的活體深部精準3D打印技術
2025-05-09  來源:高分子科技
  在生物醫(yī)學與精準治療的前沿領域,有一個長期懸而未決的難題:如何把功能性生物材料精準送入體內深部,跨越皮膚與肌肉的屏障,在無需手術開刀的情況下直接構建治療或修復結構。對于3D生物打印領域來說,雖然近十年來取得了巨大進步,但現(xiàn)有技術多依賴光學能量源,如紫外光、可見光、近紅外光,而這些能量在生物組織中穿透深度有限,通常只能用于皮下淺層。面對器官深處或復雜位置的精準制造,這些方案力不從心。


  近日,由加州理工學院高偉教授課題組與南加州大學、加州大學洛杉磯分校等多所頂尖科研機構合作Science》上發(fā)表了名為Imaging-guided deep tissue in vivo sound printing”的研究性文章。加州理工博士后Elham Davoodi為第一作者。




  這項工作帶來了一個極具突破性的新方案:基于聲波驅動的活體深部精準3D打印技術,簡稱 DISPDeep tissue in vivo sound printing)。研究團隊開發(fā)出一種以聚焦超聲(FUS)為驅動源、結合溫敏脂質體(LTSLs)和氣泡囊泡(GVs)成像的多功能平臺,使科學家們首次能夠用聲波當作,直接在活體深處精準作畫,打印出導電、藥物負載、細胞包埋和組織粘附等多樣化功能的水凝膠結構。這項技術不僅在小鼠膀胱腫瘤模型、兔子腿部肌肉等復雜生理環(huán)境中完成了成功驗證,還在體內展現(xiàn)出優(yōu)良的生物相容性,為微創(chuàng)醫(yī)療、個性化治療、再生醫(yī)學等方向開辟了新路徑。


  DISP 平臺的技術核心是一個高度巧妙的組合。研究人員設計了特殊的生物油墨(US-ink),由交聯(lián)劑封裝在低溫敏脂質體中,常溫下穩(wěn)定存在,不會與周圍組織或材料發(fā)生提前反應。而當聚焦超聲波對準目標區(qū)域后,局部溫度會被精確提升到約41–43攝氏度,誘發(fā)脂質體的相變并釋放出交聯(lián)劑,使油墨在指定位置迅速完成凝膠化。這種按需觸發(fā)、局部精準的交聯(lián)方式不僅避免了傳統(tǒng)預混合油墨存在的毒性和反應穩(wěn)定性問題,還能兼容離子型、自由基型、氧化型等多種交聯(lián)機制。更重要的是,DISP 系統(tǒng)整合了氣泡囊泡作為超聲成像的對比劑,使研究人員能在實時成像引導下精準定位油墨、監(jiān)測打印進程、確認交聯(lián)效果,大幅提高了操作的可控性與可靠性。


  這項技術究竟能打印出什么?研究團隊展示了令人驚嘆的多樣化成果。利用導電水凝膠,他們成功在體內打印出結合碳納米管、銀納米線等添加劑的電路結構,不僅具備良好的電信號傳導能力,還能在拉伸、彎折等機械變形下保持導電穩(wěn)定性,為心電圖(ECG)、肌電圖(EMG)、體溫監(jiān)測等植入式傳感器提供了全新方案。而通過在水凝膠中嵌入小分子藥物、蛋白質或核酸,DISP 可直接在腫瘤或病灶區(qū)域打印藥物儲庫,實現(xiàn)精準定位、持續(xù)釋放、減少全身副作用。此外,他們還在體內成功打印了包埋活細胞的水凝膠,用于模擬組織再生和修復場景,顯示出為深部組織工程、干細胞療法提供支持的潛力。更令人期待的是,團隊開發(fā)了具有強大粘附能力的生物水凝膠,能夠在受損組織表面直接打印形成高強度的封閉界面,應用于止血、傷口封閉、器官接口密封等,未來或許能為手術急救和微創(chuàng)修復提供新的工具。


  在動物實驗中,研究人員把 DISP 技術應用于小鼠膀胱腫瘤模型和兔子腿部肌肉,充分驗證了其可行性和精確性。操作過程中,生物油墨通過注射或導管輸送到體內指定部位,而聚焦超聲在實時成像引導下精確掃描、局部激發(fā)交聯(lián)劑釋放,在不引發(fā)周圍組織損傷的條件下,完成復雜形狀、結構的打印。組織學分析(如HE染色、免疫熒光標記)表明,無論是油墨本身還是打印成型后的水凝膠,都表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性,不引發(fā)明顯炎癥、免疫浸潤或組織壞死,材料在體內的降解、穩(wěn)定性表現(xiàn)也符合醫(yī)療需求。特別值得一提的是,該研究還展示了結合 GV Ca2? 傳感器的新穎成像方案,可以在體內實時追蹤交聯(lián)過程與材料空間分布,提高了操作的可見性和安全性。


  展望未來,DISP 技術有潛力重塑多種醫(yī)療應用場景。對于腫瘤精準治療,它可以直接把藥物材料打印到病灶周圍,減少全身性藥物暴露;對于組織修復與再生,它可以像補墻一樣在受損區(qū)域直接構建修復支架或細胞載體;對于體內可穿戴電子學,它可能實現(xiàn)無創(chuàng)植入傳感器、導線、電極,建立新一代體內-體外交互系統(tǒng)。這不僅是3D打印技術的突破,更是精準醫(yī)療走向真正個性化、無創(chuàng)化的重要一步。當然,DISP 也面臨諸多挑戰(zhàn),例如如何適應復雜動態(tài)器官(如心臟、肺部)的運動、如何優(yōu)化超聲參數(shù)與系統(tǒng)響應、如何跨越從動物實驗到人體臨床的巨大轉化門檻等,這些都需要跨學科的深入探索與協(xié)作。



1. 基于成像引導的活體深部聲波打印(DISP)示意圖。通過聚焦超聲(FUS)驅動和氣泡囊泡(GVs)實時成像,結合溫敏脂質體(LTSLs)封裝的交聯(lián)劑,實現(xiàn)在活體組織深部按需釋放并交聯(lián)生物油墨,構建導電、藥物負載、細胞包埋等多功能水凝膠結構,為精準治療和再生醫(yī)學提供無創(chuàng)、精準的在體制造方案。



2. 研究展示了聚焦超聲(FUS)驅動的三維打印特性。超聲波能精準穿透組織,將生物油墨準確定位到深部,比傳統(tǒng)的紫外光、近紅外等光源具有更強的穿透力。熱模擬結果顯示,在不同頻率和照射時間下,聚焦區(qū)域的溫度分布高度可控,而壓力分布實驗與模擬也證實了超聲聚焦的精準性。研究團隊利用這一系統(tǒng)打印出精細的水凝膠圖案,在不同功率和打印速度下,海藻酸鹽油墨表現(xiàn)出良好的打印分辨率,甚至能穿透 15 毫米厚的豬肉組織完成深部打印。此外,這些打印出的水凝膠圖案還能通過簡單的化學處理快速解離,為體內可逆材料制造提供了新途徑。


  總體而言,這項來自加州理工學院、南加州大學、UCLA 等頂尖科研團隊的工作,展示了用聲波作筆、在活體內精準制造生物材料的巨大潛力。未來,隨著這項技術的不斷優(yōu)化和拓展,它或許將成為微創(chuàng)醫(yī)療、再生醫(yī)學、體內電子學等領域的核心工具,推動生物醫(yī)學進入一個全新的范式時代。對于追求更安全、更高效、更精準醫(yī)療方案的人類社會來說,這無疑是一場革命性的進步。


  原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt0293

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(責任編輯:xu)
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