3D印表機可以列印醫療裝置的原型，設計靈活輕便的電子裝置，甚至可以製造用於傷口癒合的組織。 然而，其中許多列印技術需要乙個緩慢而艱苦的逐點構建物件的過程，這通常需要乙個強大的列印平台。
在過去的幾年裡，為了規避這些問題，研究人員開發了一種光敏油墨，它直接對目標光束做出反應，並迅速硬化成所需的結構。 雖然這種列印技術可以大大提高列印的速度和質量，但研究人員只能使用透明墨水進行列印，並且其生物醫學用途受到限制，因為光無法穿透幾公釐深的組織。
日前，哈佛醫學院 YShrike Zhang和杜克大學生物醫學工程系副教授Junjie Yao開發了一種新的3D列印方法，稱為深度滲透聲學體積列印（DVAP），可以解決這些問題。 這項新技術使用一種特殊的墨水，可以對聲波而不是光做出反應，使他們能夠在前所未有的組織深度建立具有生物醫學用途的結構。
詳細地，研究人員報告了用於d**p的自增強聲學墨水（或聲學墨水）的設計以及相應的聚焦超聲書寫技術。 他們使用實驗和聲學建模來研究與頻率和掃瞄速率相關的聲學列印行為。 d**p 實現了低聲流、快速聲熱聚合和大列印深度等關鍵特性，能夠列印各種形狀的體積水凝膠和奈米複合材料，無論其光學特性如何。 D**P 還可以在生物組織中列印厘公尺深度，為微創醫學鋪平道路。 研究成果發表在最新一期的《科學》雜誌上，題目為“Self-enhancing Sono-inks Enable Deep-penetration Acoustic Volumetric Printing”，第一作者為Xiao Kuang和Qiangzhou Rong。
無花果。 D**P 使用聚焦超聲波固化聲波油墨列印 3D 結構。
DVAP組成
DVAP的第乙個組成部分涉及一種稱為超聲波墨水的超聲波墨水，它是水凝膠、顆粒和分子的組合，旨在專門響應超聲波。 一旦聲波墨水被輸送到目標區域，專用的超聲波列印探頭就會將聚焦的超聲波傳送到墨水中，將其部分硬化成複雜的結構。 這些結構的範圍從模仿骨硬度的六邊形支架到可以放置在器官上的水凝膠氣泡。
墨水本身是一種粘稠的液體，因此可以很容易地將其注入目標區域，當移動超聲波列印探頭時，墨水中的材料會連線在一起並硬化，完成後，科學家可以通過注射器去除任何剩餘的未固化墨水。
圖1D**P工作原理和自加固聲波油墨設計。
這種聚焦超聲波3D列印技術需要高水平的能量，這有可能使周圍組織過熱。 為了解決這個問題，研究人員建造了一台共聚焦高強度超聲波印表機。 該系統使用兩個超聲波換能器，它們以十字頭模式排列，允許兩個超聲波前沿重疊。 這種設計不僅減少了每個感測器所需的能量，而且還提高了超聲波印表機的解像度和速度。
圖2d**p 列印解像度的表徵。
3D 形狀
首先，研究人員將乙個聚焦的超聲換能器懸掛在乙個裝滿新型墨水的房間上方。 換能器和油墨之間有乙個“匹配介質”，這是大多數超聲波方法中使用的物質，以確保超聲波的有效傳輸。 通過使用電腦程式精確控制超聲波換能器的複雜3D運動，研究人員能夠在墨室的不同深度建立各種不同的結構。 這些結構有各種尺寸和複雜的幾何形狀，包括多層蜂窩、分支血管網路和類似於手或蜘蛛的複雜模型等物體。
接下來，研究人員想確定他們的技術是否可以用於3D列印生物組織。 他們將不同厚度（高達17公釐）的豬組織放在充滿墨水的腔室頂部。 換能器放置在上方，研究人員將超聲波引導穿過組織並進入下方的腔室。 他們成功地從幾種不同型別的組織中列印出各種不同的結構，包括豬肝和由**、脂肪和肌肉等多層組成的豬組織模型。
圖3D**P 效能和材料多功能性。
概念驗證
作為這項新技術的概念證明，研究人員進行了三項測試。
第乙個試驗是用墨水封住山羊心臟的一部分。 當乙個人患有非瓣膜性心房顫動時，心臟無法正常跳動，導致血液在器官內積聚。 傳統方法通常需要開胸手術以關閉左心耳，以降低血栓和心臟病發作的風險。 取而代之的是，研究人員使用導管將聲波墨水輸送到放置在列印室中的山羊心臟的左心房壁。 然後，超聲探頭將超聲波聚焦穿過 12 公釐的組織，在不損壞任何周圍器官的情況下硬化墨水。 一旦這個過程完成，墨水就會牢固地粘合到心臟組織上，並且足夠靈活，可以承受模仿心臟跳動的運動。
接下來，研究人員測試了DVAP在組織重建和再生方面的潛力。 在製作了雞腿骨缺損的模型後，研究人員注入了聲波墨水，並通過10公釐的樣品**和肌肉組織層將其硬化。 由此產生的材料與骨骼無縫結合，不會對任何周圍組織產生負面影響。
最後，研究人員表明，DVAP也可用於藥物遞送。 在他們的案例中，他們在墨水中新增了一種常見的化療藥物，並將其輸送到肝組織樣本中。 他們使用探針將聲學墨水硬化成水凝膠，水凝膠緩慢釋放化療藥物並擴散到肝組織中。
圖4D**P 用於通過組織列印和微創**進行概念驗證。
總結與展望未來
利用黏彈性自增強聲學油墨的深滲透、低聲流和快速聲學聚集，作者開發了一種 D**P 技術，可以在沒有構建平台的情況下構建具有高列印保真度和解像度的體積結構。 使用熱響應吸聲材料解決了FUS暴露時聲波流與深度穿透之間的矛盾。 自增強聲學油墨和非線性聲波傳播共同增強了fus焦點處的聲熱加熱，導致材料快速和選擇性地固化為組成體素。 基於熱量積聚的固化機制可實現公釐級各向異性列印解像度，通過優化 FUS 頻率和掃瞄速度的列印引數以及使用共聚焦雙感測器配置，可以進一步提高該解像度。 fus波的深度穿透使不透明（奈米）複合材料的體積製造和厘公尺厚組織的列印成為可能，這是最先進的基於光的列印技術無法實現的。 自增強聲學油墨設計可用於不同的系統，大大擴充套件了聲學印刷技術的材料庫。
l 山谷柱 l
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