无需破皮的体内生物打印技术

一种可直接在体内对软性材料进行3D打印的新技术，能够在组织深处构建复杂结构 —— 且无需进行任何切口操作。

近日，发表于《科学》（Science）杂志的这项技术利用聚焦超声将注入的 “生物墨水” 塑造成类似组织的结构，为癌症治疗、生物电子学和再生医学等领域的微创应用开辟了新路径。

这项由加州理工学院工程师开发的技术，无需外科手术切割或表面接触式打印。研究人员只需通过针头或导管将定制设计的液态墨水注入体内。

随后，利用实时超声成像引导定位，他们发射第二束聚焦高频声波，将目标部位轻微加热几度 —— 这一温度足以触发分子链反应，使液体转化为凝胶。

“这相当令人兴奋，” 哈佛大学医学院及马萨诸塞州剑桥市布列根和妇女医院的生物医学工程师Yu Shrike Zhang表示，她并未参与这项研究，“这项工作真正拓展了基于超声打印的应用范围，并展示了其转化潜力。”

无需喷嘴，不成问题

为实现该技术，由生物医学工程师Wei Gao及其前博士后Elham Davoodi领导的加州理工学院团队，不得不重新思考传统 3D 打印的几乎每一个步骤。

传统打印机依赖物理喷嘴逐层沉积材料。而这项被称为深层组织体内声波打印技术（DISP，Deep tissue In vivo Sound Printing）的新方法完全摒弃了喷嘴，转而利用高度聚焦的声波束产生可控的温度峰值，从而启动类似打印的过程。

该系统的核心是脂质体：一种类似于mRNA疫苗中使用的微小脂肪胶囊（https://spectrum.ieee.org/mrna-therapy-damaged-heart）。这些脂质体在正常体温下保持完整，但在短暂升温时会破裂。“只需几摄氏度的温度变化，” Gao解释说，“它们就会释放内容物。”

脂质体内携带交联剂。一旦被超声波的温热能量激活，这些交联剂就会与墨水中的松散聚合物链（如海藻中的藻酸盐或猪源明胶 —— 两者均为医学研究和治疗领域的常用原料）结合，迅速形成稳定的生物相容性水凝胶。

注入墨液

为实现对过程的实时监控，研究人员添加了气孢囊—— 一种由蛋白质外壳包裹的纳米结构，可散射声波并在特定超声设置下发光。这使团队能够直观观察墨水的定位及其是否成功胶凝。

Gao指出，该系统在体内操作中展现出令人印象深刻的精度：能以最高每秒40毫米的速度、150微米的分辨率（约一根粗头发的宽度）构建星形、泪滴形、风车形等图案的水凝胶。

除打印形状外，团队还为墨水定制了功能性添加剂：用于传感设备的导电纳米材料、促进组织修复的活细胞，以及帮助密封伤口或固定植入物的生物粘合剂。

“这项技术用途十分广泛，” 现于盐湖城犹他大学从事3D生物打印研究的Davoodi表示。

兔子实验与肿瘤靶向

为验证DISP在医疗场景中的潜力，研究人员在两种动物模型（小鼠和兔子）中进行了测试。

在小鼠实验中，他们在膀胱肿瘤附近打印了一个缓释药物储存库。研究人员利用装载了阿霉素（一种常用化疗药物）的生物墨水，构建了一个软性储药结构，旨在让治疗药物随时间缓慢释放。其目标是：使药物在肿瘤部位的浓集时间远长于标准膀胱癌疗法 —— 后者的药物通常在数小时内就会被排出体外。

此外，他们利用兔子来展示该技术的深度适用范围 —— 在皮肤下几厘米的肌肉组织内打印水凝胶支架。

实验显示，生物墨水耐受性良好，未出现不良反应迹象。但为应对可能的清除需求，研究人员在实验室用猪和鸡的组织证明，打印出的水凝胶可通过一种常用于治疗重金属中毒的化学物质选择性溶解。

“我们不仅能在器官或组织内打印，还能将其移除，” Gao表示。

手术刀退场，声波登场

DISP并非体内生物打印的首次尝试（https://spectrum.ieee.org/invivo-printing）。早期方法聚焦于红外光，却受限于组织穿透能力和光散射问题（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aba7406）。而后续依赖超声直接触发化学反应的尝试也存在严重缺陷，例如会产生微气泡或释放过量热量，可能损伤邻近组织。

加州理工学院团队转而利用超声激活工程化脂质体，间接启动生物打印反应，在对周围组织热风险极小的情况下，规避了上述问题，实现了更强的操控性、更快的打印速度和更高的生物相容性。

Davoodi指出，这项技术距离临床应用仍有较远的路要走，但其标志着利用3D生物打印材料实现更精准、更微创治疗的重要一步 —— 尤其是在传统手术存在风险、不切实际或非必要的情况下。

“这是生物打印领域的一个新研究方向，” 她说。