加州理工學院體內(nèi)生物打印DISP平臺實現(xiàn)深層組織內(nèi)原位3D打印

2025年5月9日，南極熊獲悉，加州理工學院研究人員開發(fā)出一種超聲引導的3D打印技術(shù)，可在無需侵入性手術(shù)的前提下，于體內(nèi)制造定制化醫(yī)療植入物，為深層組織提供精準治療解決方案。研究人員表示，成像引導的深層組織體內(nèi)聲音打印(DISP)平臺利用低溫敏感脂質(zhì)體(LTSL)作為交聯(lián)劑的載體，從而能夠在深層組織內(nèi)精確、可控地原位制造生物材料。

△相關研究成果已發(fā)表在《Science》期刊，題目為“成像引導深層組織內(nèi)聲音打印”（傳送門）

利用聚焦超聲引導的體內(nèi)生物3D打印技術(shù)

論文第一作者Elham Davoodi博士和通訊作者Wei Gao博士指出，3D生物打印技術(shù)具備根據(jù)患者個體情況定制醫(yī)療植入物、微型器械及組織工程結(jié)構(gòu)的能力，極大拓展了現(xiàn)代精準醫(yī)療的邊界。但傳統(tǒng)的這類結(jié)構(gòu)需通過侵入性手術(shù)植入，顯著限制了這項技術(shù)在微創(chuàng)治療中的應用。

雖然“體內(nèi)生物打印”，即直接在體內(nèi)打印結(jié)構(gòu)是一種更小創(chuàng)的解決方案，但目前仍面臨多項技術(shù)挑戰(zhàn)：例如能量源組織穿透能力差、生物相容性墨水類型有限、以及打印精度和實時控制系統(tǒng)受限等。盡管近紅外光（NIR）已被用作體內(nèi)打印的生物安全能源，但它的穿透深度有限，僅適用于淺層皮下組織，這在一定程度上限制了這項技術(shù)的實際應用。

△深層組織體內(nèi)聲音打印(DISP)平臺示意圖

為突破上述限制，Davoodi團隊開發(fā)了這一全新平臺DISP，基于成像引導，結(jié)合聚焦超聲（FUS）與響應型生物墨水，可在活體深層組織中精準打印功能性結(jié)構(gòu)。這些超聲墨水由三部分組成：生物聚合物、包載交聯(lián)劑的 LTSL 以及充當造影劑的氣囊（GV）。墨水可通過注射或?qū)Ч芊绞捷斔椭馏w內(nèi)目標部位，并在平臺集成的超聲成像系統(tǒng)引導下進行定位。

FUS換能器依據(jù)預設的數(shù)字模型自動定位，并誘導局部加熱（溫度略高于體溫），激活LTSL 釋放交聯(lián)劑，進而原位誘導凝膠化反應，實現(xiàn)生物墨水即時交聯(lián)成型。該機制確保了打印過程的高精度與響應性。同時，生物墨水以及形成的結(jié)構(gòu)可根據(jù)需求定制功能，例如：導電性、局部藥物遞送、生物組織粘附，甚至實現(xiàn)打印過程的實時可視化。

△一些利用體內(nèi)聲音打印技術(shù)打印的水凝膠聚合物結(jié)構(gòu)

體內(nèi)3D生物打印技術(shù)在動物實驗中的成功應用

在動物實驗中，研究團隊分別在小鼠膀胱病變區(qū)域和兔子肌肉組織深層成功打印了具有藥物遞送功能的生物材料，驗證了DISP技術(shù)在藥物治療、組織修復以及生物電子學中的廣泛應用前景。進一步的生物相容性測試未發(fā)現(xiàn)組織損傷或炎癥反應，且未發(fā)生交聯(lián)的墨水在體內(nèi)可于一周內(nèi)自然清除，證明安全性優(yōu)良。

△研究團隊裝載交聯(lián)劑的低溫敏感脂質(zhì)體的TEM圖像

研究團隊總結(jié)道：“DISP技術(shù)為打印多功能生物材料提供了一個多用途平臺，支持包括生物電子器件、局部藥物輸送、組織工程、創(chuàng)口閉合等多種生物醫(yī)學應用。這項技術(shù)對材料性能與空間分辨率的高度可控性，尤其適用于在活體組織中構(gòu)建高功能性結(jié)構(gòu)與圖案?！?br />
對此，威斯康星大學麥迪遜分校的Xiao Kuang博士評價道：“盡管Davoodi團隊在推動超聲 3D打印臨床轉(zhuǎn)化方面取得重要進展，但要實現(xiàn)真正的臨床應用仍需進一步優(yōu)化。打印工藝參數(shù)、生物材料的結(jié)構(gòu)組成及最終性能之間的耦合關系，必須通過嚴格系統(tǒng)的測試加以闡明?！?br />
總的來說，新平臺整合了基于氣囊（GV）的超聲成像技術(shù)，可在打印過程中進行實時監(jiān)控與精確定位。DISP平臺可打印具備導電性、載藥功能、細胞載體功能及生物粘附性的多功能生物材料，展現(xiàn)出3D打印在生物醫(yī)學領域廣泛應用中的巨大潛力。