哈佛医学院的原始表面上放着一块肥硕的农场新鲜鸡腿。 带皮带骨，切得很精确，骨头几乎没有破裂。
一只机械臂突然转向，扫描了破损处，然后小心地将一种液体混合物注入裂缝中，其中包括一些从海藻中分离出来的成分。 通过几次超声波脉冲，液体硬化成骨状材料并密封骨折。
这不是一场前卫的晚宴秀。 相反，这是一项创新实验，目的是看看有一天超声波是否可以用于直接在我们体内 3D 打印植入物。
由布莱根妇女医院和哈佛医学院的 Yu Shrike 张 博士领导， 最近的一项研究 结合超声波和 3D 打印的独特特性来修复受损组织。 该技术的核心是一种化学混合物，可响应声波而凝胶化——一种被称为“声诺墨水”的混合物。
在一项测试中，该团队在一大块孤立的五花肉内 3D 打印了一个卡通骨头形状，超声波很容易穿透脂肪层皮肤和组织。 该技术还在离体猪肝内制作了蜂巢状结构，在肾脏内制作了心形结构。
这听起来可能很可怕，但我们的目标并不是在活组织内 3D 打印表情符号。 相反，有一天，医生可能会使用超声波和声墨水来直接修复体内受损的器官，作为侵入性手术的替代方案。
作为概念验证，该团队使用声诺墨水修复了孤立山羊心脏的破损区域。 经过几次超声波处理后，所得的贴片凝胶化并与周围的心脏组织无缝啮合，基本上成为一种生物相容性、可拉伸的绷带。
另一项测试将化疗药物装入声诺墨水中，并将混合物注射到受损的肝脏中。 几分钟之内，墨水将药物释放到受伤区域，同时保留了周围大部分健康细胞。
该技术提供了一种将开放式手术转变为微创治疗的方法， 写 博士。 加州理工学院的 Yuxing Yao 和 Mikhail Shapiro 没有参与这项研究。 它还可以用于打印响应超声波的人体机器接口，制造用于心脏损伤的柔性电子设备，或者在手术后有效地将抗癌药物直接输送到源以限制副作用。
“我们距离将这种工具带入临床还很远，但这些测试再次证实了这项技术的潜力，” 说过 张. “我们很高兴看到它可以走向何方。”
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 建造人造生物部件-例如， 支架 用于危及生命的心脏病。
该过程通常是迭代的。 喷墨 3D 打印机（类似于办公室打印机）会喷出一层薄薄的层，并用光“固化”它。 这会固化液体墨水，然后打印机逐层构建出整个结构。 然而，光只能照亮许多材料的表面，因此不可能一次性生成完全打印的 3D 结构。
这项新研究转向体积打印，打印机将光投射到一定体积的液体树脂中，将树脂固化成物体的结构——瞧，物体就被构建成了一个整体。
与传统 3D 打印相比，该过程要快得多，并且生产出表面更光滑的物体。 但它受到光线透过墨水和周围材料（例如皮肤、肌肉和其他组织）的距离的限制。
这就是超声波的用武之地。以孕产妇护理而闻名，低水平的超声波很容易穿透不透明层（例如皮肤或肌肉）而不会造成伤害。 研究人员正在探索一种称为聚焦超声的技术来监测和刺激大脑和其他组织。
它有缺点。 声波在穿过我们体内丰富的液体时会变得模糊。 用于 3D 打印结构的声波可能会产生与原始设计不同的效果。 要构建声学 3D 打印机，第一步是重新设计墨水。
合理的食谱
该团队首先尝试了可通过超声波固化的墨水设计。 他们想出的配方是分子汤。 有的受热后凝固；有的受热后凝固。 其他吸收声波。
超声波脉冲后几分钟内，声波墨水就会转变为凝胶。
姚和夏皮罗解释说，这个过程是自我推进的。 超声波触发化学反应，产生热量，热量被凝胶吸收并加速循环。 由于超声波源是由机械臂控制的，因此可以将声波聚焦到一毫米的分辨率——比普通信用卡厚一点。
该团队测试了多种声诺墨水配方和 3D 打印的简单结构，例如多色三件式齿轮和类似血管的夜光结构。 这有助于团队探索系统的局限性并探索潜在用途：例如，荧光 3D 打印植入物可以更容易在体内追踪。
良好的成功
研究小组接下来转向分离器官。
在一项测试中，他们将声波墨水注射到受损的山羊心脏中。 人类的类似情况可能会导致致命的血栓和心脏病。 常见的治疗方法是心脏直视手术。
在这里，研究小组通过血管将声墨水直接注入山羊心脏。 通过精确聚焦的超声波脉冲，墨水会凝胶化以保护受损区域，而不伤害邻近部位，并与心脏自身的组织相连。
作者写道，在另一项测试中，他们将墨水注射到鸡腿骨折处，并重建了骨头，“与原生部位无缝粘合”。
在第三次测试中，他们将多柔比星（一种常用于乳腺癌的化疗药物）混合到声诺墨水中，并将其注射到猪肝的受损部位。 在超声波的作用下，墨水沉积在受损区域，并在接下来的一周内逐渐将药物释放到肝脏中。 他们解释说，研究小组认为这种方法可以帮助改善手术切除肿瘤后的癌症治疗。
该系统只是一个开始。 声诺墨水尚未在活体中进行测试，它可能会引发毒性作用。 虽然超声波通常是安全的，但刺激会增加声波压力并将组织加热到非常温暖的 158 华氏度。 对于姚和夏皮罗来说，这些挑战可以指导技术。
快速打印软 3D 材料的能力为新的人体-机器接口打开了大门。 带有嵌入式电子设备的器官贴片可以支持慢性心脏病患者的长期护理。 超声波还可以刺激身体更深部位的组织再生，而无需进行侵入性手术。
除了生物医学应用之外，声诺墨水甚至可以在我们的领域引起轰动 日常世界。 例如，3D打印的鞋子已经进入市场。 姚和夏皮罗写道，“未来的跑鞋可能会用修复骨骼的相同声学方法进行打印”。
图片来源：Alex Sanchez，杜克大学； 姚俊杰，杜克大学； Y. Shrike 张，哈佛医学院
