一种新型生物打印机使用超声波来打印身体深处的组织、生物传感器和药物库。
我们的身体不断地崩溃。随着时间的推移，它们的内置修复机制也会失效。膝盖软骨磨掉了。髋关节不再支撑重量。乳腺癌和其他健康问题的治疗需要通过手术切除。由于身体无法再生这些组织，因此使用生物材料进行重建通常是唯一的方法。
传统上，这种修复涉及一刀切的乳房植入物或髋关节。最近，3D 生物打印组织已开始为患者量身定制。但这些人造组织是在体外打印的，仍然需要额外的手术才能植入，从而增加了留下疤痕、炎症或感染的机会，并增加了愈合时间。
本月，加州理工学院的一个团队推出了一种无需手术即可 3D 打印体内组织的系统。该系统被称为深层组织体内声音打印（DISP），它使用可注射的生物墨水，这种墨水在体温下呈液态，但在超声波照射下会凝固成结构。一个对超声波也敏感的监测分子可以实时跟踪组织打印。多余的生物墨水会被身体安全分解。
在测试中，该团队在兔子的胃和小鼠的膀胱内3D打印了组织。他们还添加了导电纳米颗粒来制造软生物传感器和药物库（抗癌药物或抗菌药物），当受到超声波撞击时，它们会释放有效载荷。
“这项工作确实扩大了基于超声波的打印范围，并显示了其转化能力，”哈佛医学院的 Yu Shrike 张（未参与这项研究）告诉IEEE Spectrum 。 “这相当令人兴奋。”
从光到声音
由于其多功能性，3D 打印激发了生物工程师的想象力。该技术可用于制造人造生物组织、器官或医疗器械。
生物打印机通常一次沉积一层。每一层都用光固化，然后下一层放在它上面。这个层层推进的过程需要时间。最近，一种称为体积打印的升级方法通过一次精心定制的光来固化 3D 结构。这种方法速度更快，但也受到光穿透组织深度的限制。
例如，威斯康星大学麦迪逊分校的肖匡（未参与这项研究）在《科学》杂志上写道，红外光可以在薄薄的皮肤和肌肉层下塑造植入物的形状。但光线进入体内越深入，就会变得越暗和散射。这限制了“在毫米厚的组织下方直接打印植入物”——或者仅仅在皮肤下方。
超声波以其监测妊娠而闻名，在这方面具有优势。它可以深入器官——近八英寸——而不会损坏它们。科学家们一直在探索聚焦超声波，它可以向组织发射一定频率的声波，作为监测大脑和肌肉活动的一种方法。
超声波还可以引发化学反应。 2023 年，张和同事设计了一种被称为“声诺墨水”的分子混合物，当用特定频率的声波冲击时，它会凝固。该团队在分离的五花肉、肝脏和肾脏内 3D 打印了多个形状，并修补了山羊心脏中的组织损伤。
但墨水对体内的压力和其他干扰很敏感，导致打印速度较慢且分辨率较差。声波也会产生热量，使一些声诺墨水在形成预期结构之前硬化。此外，墨水中的其他分子和组织中的局部热峰值增加了生物相容性风险。
“体内超声 3D 打印比看起来更具挑战性，”Kuang 写道。
新墨水
新系统依赖于升级的超声波墨水。
该墨水由多种成分组合成一种混合物。首先是分子链，它们通常自由漂浮，但在给予分子提示时会相互抓住。这些伴随着充满粘合剂分子（分子线索）的脂肪气泡，当暴露于超声波时，它们会释放它们的有效载荷。最终的封装组件包含多种化学物质，这些化学物质会散射声波并在某些声波撞击时发光。这些有助于团队可视化墨水的位置并确定它是否形成了所需的结构。
Kuang 写道，新装置“防止了体温下过早的化学反应，并提供了对打印过程的更好控制”。
将墨水注射到目标部位或使用导管输送到那里。为了测试该方法，该团队在各种组织（例如厚猪排和鸡肉）中 3D 打印了形状（星星、风车、泪珠和格子）。
与之前仅到达脂肪组织的基于光的方法相比，新技术将其转化为肌肉，并更精确地激活生物墨水以形成形状。该系统的工作速度约为每秒 40 毫米，这是喷墨打印机的平均速度。
良好的治疗
在患有膀胱癌的小鼠中，该团队 3D 打印了一种可以缓慢释放抗癌药物以阻止癌症生长的药物库。如今的膀胱癌药物通常会在数小时内被冲走。生物墨水贴片可以将药物更长时间地集中在肿瘤上。
在另一项测试中，研究人员在兔子腿部肌肉和腹部皮肤下几英寸处打印了人造组织，展示了该技术在大型动物中重组组织的能力。
生物墨水也可以定制。它可以包括碳纳米管、纳米线和其他用于生物工程的生物相容性结构。在一项测试中，研究小组在墨水中装载了导电纳米颗粒和印刷电子传感器，以测量活体组织的活动。
Kuang 写道：“此功能对于监测生理信号的测试非常有用，例如监测心脏和肌肉健康的测试。”
该墨水可稳定保存至少 450 天，并且似乎不会引发免疫反应。身体通过正常新陈代谢消除多余的墨水，或者可以通过通常用于对抗重金属中毒的治疗方法将其溶解。
仍有一些问题需要解决。目标组织的深度、形状和大小各不相同，这可能会改变超声波反射和固化生物墨水的方式。在移动的器官（我们的肺、心脏和胃）上打印甚至更加复杂。
Kuang 写道，在这方面，人工智能可能会有所帮助。算法可以破译声波、温度、材料和身体相互作用之间的联系，以更好地模拟和指导打印。基于人工智能的控制器结合了过程的实时监控，可以快速调整以适应身体状态的变化，从而使生物墨水按计划凝固。
尽管在临床使用之前还有很长的路要走，但该团队表示，他们最近的工作表明该技术具有足够的通用性，可以广泛使用。
科学家现在可以直接在体内 3D 打印组织——无需手术，这篇文章首先出现在SingularityHub上。