加州大学 “直接声音打印技术”，可在人体内部直接3D打印手术植入物

2024年8月11日，南极熊获悉，来自加州大学戴维斯分校的研究人员凭借一项关于人体内部 3D 打印途径的提案，获得了美国制造工程师协会 2024 年国家科学基金会制造业蓝天大赛的 David Dornfeld 制造业最有前景奖。该项目从 50 多个参赛作品中脱颖而出，击败了其他五名决赛选手，获得了最高奖项。

△加州大学戴维斯分校机械与航空航天工程助理教授 Mohsen Habibi 于 2018 年发现了直接声音打印技术。（Steven Trinh/加州大学戴维斯分校）

研究人员在提案提出了一种在人体内进行 3D 打印的方法，南极熊此前也对这项极具突破性的技术进行过报道：3D打印新技术：利用超声波实现，DSP直接声音打印！-南极熊3D打印网 - 平台 (nanjixiong.com)。

△这张图展示了人体内使用生物材料进行 3D 打印的工作原理。（Habibi 提供）

蓝天竞赛寻求跨学科的提案，提出具有远见卓识的想法，这些想法可以被描述为激进的、离谱的、变革性的或突破性的；它们应该“通过追求制造业研究愿景提出需要解决的重大挑战，并展现出变革性影响的潜力”。

在他们的提案《突破障碍的打印：非侵入性深层人体打印的途径》中，加州大学戴维斯分校机械与航空航天工程助理教授 Mohsen Habibi 和他的加州大学戴维斯分校合作者、生物医学工程与外科教授Aijun Wang 以及儿科教授兼儿科临床研究副主席 James Marcin 建议使用直接声音打印 (DSP) 在人体内3D 打印植入物或支架等物品，并减少侵入性手术的需要。对于体内 3D 打印材料，研究人员建议使用生物相容性材料，将其注射到体内，然后对超声波源进行空间调整以打印所需的形状。

直接声音打印技术

Habibi于 2018 年发现的新颖 3D 打印方法利用声波（而不是光或热）在物理屏障后面从聚合物溶液中创造出固体材料。该项技术被称为直接声音打印（DSP），Habibi和他在加拿大蒙特利尔康考迪亚大学的同事于 2018 年春季首次成功打印出带有声音的物体。因此，虽然它需要微调和分析，但哈比比对其潜在应用持乐观态度。  

他表示：“我们可以在体内打印植入物，而无需开刀手术。另一个应用是维修无法触及的区域。假设你要维修飞机机身内部，某个无法触及的地方，我们需要打开或破坏机身才能进行打印或维修。”

在这些场景中使用 DSP 将使外科医生和工程师无需打开任何东西即可工作，因为声波可以穿透物理障碍在另一侧进行打印，这正是 Habibi 在 2017 年开始进行这项研究时所寻找的。  

△研究人员首次证明声波可以在物理屏障后方利用聚合物溶液形成固体材料。

Habibi想看看他能否在不使用光的情况下完成 3D 打印过程，这是 3D 打印最主要的方法。然而，它的主要限制是无法穿透金属或皮肤等不透明材料。为了在固体屏障的两侧产生化学反应，哈比比求助于声化学，它研究声音和物质之间的相互作用。  

Habibi开始研究空化气泡，即声音在液体材料中产生空气时产生的气泡。他发现，这些气泡可以利用超声波在高频下产生化学反应，并将液体树脂转化为固体聚合物基体。  

在他 2022 年发表在《自然》杂志上题为“Directsound printing”的论文中，打印的聚合物物体包括枫叶、蜂窝和齿轮等形状，而哈比比则使用组织模型和真实的猪皮、脂肪和肌肉成功打印了耳朵和鼻子的形状。哈比比和他的同事目前正在完成两篇新论文，通过重新设计他的第一篇作品的打印机制来打印微流体设备等精确物体，探索打印分辨率和准确度速度。

在加州大学戴维斯分校，他渴望与生物医学工程系、兽医学和加州大学戴维斯分校健康中心合作，研究这项新技术的可能性，该技术被加拿大领先的科学杂志之一《魁北克科学》评为 2022 年最重要的科学发现之一。