加州理工学院体内生物打印DISP平台实现深层组织内原位3D打印

2025年5月9日，南极熊获悉，加州理工学院研究人员开发出一种超声引导的3D打印技术，可在无需侵入性手术的前提下，于体内制造定制化医疗植入物，为深层组织提供精准治疗解决方案。研究人员表示，成像引导的深层组织体内声音打印(DISP)平台利用低温敏感脂质体(LTSL)作为交联剂的载体，从而能够在深层组织内精确、可控地原位制造生物材料。

△相关研究成果已发表在《Science》期刊，题目为“成像引导深层组织内声音打印”（传送门）

利用聚焦超声引导的体内生物3D打印技术

论文第一作者Elham Davoodi博士和通讯作者Wei Gao博士指出，3D生物打印技术具备根据患者个体情况定制医疗植入物、微型器械及组织工程结构的能力，极大拓展了现代精准医疗的边界。但传统的这类结构需通过侵入性手术植入，显著限制了这项技术在微创治疗中的应用。

虽然“体内生物打印”，即直接在体内打印结构是一种更小创的解决方案，但目前仍面临多项技术挑战：例如能量源组织穿透能力差、生物相容性墨水类型有限、以及打印精度和实时控制系统受限等。尽管近红外光（NIR）已被用作体内打印的生物安全能源，但它的穿透深度有限，仅适用于浅层皮下组织，这在一定程度上限制了这项技术的实际应用。

△深层组织体内声音打印(DISP)平台示意图

为突破上述限制，Davoodi团队开发了这一全新平台DISP，基于成像引导，结合聚焦超声（FUS）与响应型生物墨水，可在活体深层组织中精准打印功能性结构。这些超声墨水由三部分组成：生物聚合物、包载交联剂的 LTSL 以及充当造影剂的气囊（GV）。墨水可通过注射或导管方式输送至体内目标部位，并在平台集成的超声成像系统引导下进行定位。

FUS换能器依据预设的数字模型自动定位，并诱导局部加热（温度略高于体温），激活LTSL 释放交联剂，进而原位诱导凝胶化反应，实现生物墨水即时交联成型。该机制确保了打印过程的高精度与响应性。同时，生物墨水以及形成的结构可根据需求定制功能，例如：导电性、局部药物递送、生物组织粘附，甚至实现打印过程的实时可视化。

△一些利用体内声音打印技术打印的水凝胶聚合物结构

体内3D生物打印技术在动物实验中的成功应用

在动物实验中，研究团队分别在小鼠膀胱病变区域和兔子肌肉组织深层成功打印了具有药物递送功能的生物材料，验证了DISP技术在药物治疗、组织修复以及生物电子学中的广泛应用前景。进一步的生物相容性测试未发现组织损伤或炎症反应，且未发生交联的墨水在体内可于一周内自然清除，证明安全性优良。

△研究团队装载交联剂的低温敏感脂质体的TEM图像

研究团队总结道：“DISP技术为打印多功能生物材料提供了一个多用途平台，支持包括生物电子器件、局部药物输送、组织工程、创口闭合等多种生物医学应用。这项技术对材料性能与空间分辨率的高度可控性，尤其适用于在活体组织中构建高功能性结构与图案。”

对此，威斯康星大学麦迪逊分校的Xiao Kuang博士评价道：“尽管Davoodi团队在推动超声 3D打印临床转化方面取得重要进展，但要实现真正的临床应用仍需进一步优化。打印工艺参数、生物材料的结构组成及最终性能之间的耦合关系，必须通过严格系统的测试加以阐明。”

总的来说，新平台整合了基于气囊（GV）的超声成像技术，可在打印过程中进行实时监控与精确定位。DISP平台可打印具备导电性、载药功能、细胞载体功能及生物粘附性的多功能生物材料，展现出3D打印在生物医学领域广泛应用中的巨大潜力。