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  近日，由加州理工學院高偉教授課題組與南加州大學、加州大學洛杉磯分校等多所頂尖科研機構合作在《Science》上發表了名為“Imaging-guided deep tissue in vivo sound printing”的研究性文章。加州理工博士后Elham Davoodi為第一作者。

  這項工作帶來了一個極具突破性的新方案：基于聲波驅動的活體深部精準3D打印技術，簡稱 DISP（Deep tissue in vivo sound printing）。研究團隊開發出一種以聚焦超聲（FUS）為驅動源、結合溫敏脂質體（LTSLs）和氣泡囊泡（GVs）成像的多功能平臺，使科學家們首次能夠用聲波當作“筆”，直接在活體深處精準“作畫”，打印出導電、藥物負載、細胞包埋和組織粘附等多樣化功能的水凝膠結構。這項技術不僅在小鼠膀胱腫瘤模型、兔子腿部肌肉等復雜生理環境中完成了成功驗證，還在體內展現出優良的生物相容性，為微創醫療、個性化治療、再生醫學等方向開辟了新路徑。

  DISP 平臺的技術核心是一個高度巧妙的組合。研究人員設計了特殊的生物油墨（US-ink），由交聯劑封裝在低溫敏脂質體中，常溫下穩定存在，不會與周圍組織或材料發生提前反應。而當聚焦超聲波對準目標區域后，局部溫度會被精確提升到約41–43攝氏度，誘發脂質體的相變并釋放出交聯劑，使油墨在指定位置迅速完成凝膠化。這種按需觸發、局部精準的交聯方式不僅避免了傳統預混合油墨存在的毒性和反應穩定性問題，還能兼容離子型、自由基型、氧化型等多種交聯機制。更重要的是，DISP 系統整合了氣泡囊泡作為超聲成像的對比劑，使研究人員能在實時成像引導下精準定位油墨、監測打印進程、確認交聯效果，大幅提高了操作的可控性與可靠性。

  這項技術究竟能打印出什么？研究團隊展示了令人驚嘆的多樣化成果。利用導電水凝膠，他們成功在體內打印出結合碳納米管、銀納米線等添加劑的電路結構，不僅具備良好的電信號傳導能力，還能在拉伸、彎折等機械變形下保持導電穩定性，為心電圖（ECG）、肌電圖（EMG）、體溫監測等植入式傳感器提供了全新方案。而通過在水凝膠中嵌入小分子藥物、蛋白質或核酸，DISP 可直接在腫瘤或病灶區域打印藥物儲庫，實現精準定位、持續釋放、減少全身副作用。此外，他們還在體內成功打印了包埋活細胞的水凝膠，用于模擬組織再生和修復場景，顯示出為深部組織工程、干細胞療法提供支持的潛力。更令人期待的是，團隊開發了具有強大粘附能力的生物水凝膠，能夠在受損組織表面直接打印形成高強度的封閉界面，應用于止血、傷口封閉、器官接口密封等，未來或許能為手術急救和微創修復提供新的工具。

  在動物實驗中，研究人員把 DISP 技術應用于小鼠膀胱腫瘤模型和兔子腿部肌肉，充分驗證了其可行性和精確性。操作過程中，生物油墨通過注射或導管輸送到體內指定部位，而聚焦超聲在實時成像引導下精確掃描、局部激發交聯劑釋放，在不引發周圍組織損傷的條件下，完成復雜形狀、結構的打印。組織學分析（如HE染色、免疫熒光標記）表明，無論是油墨本身還是打印成型后的水凝膠，都表現出優異的生物相容性，不引發明顯炎癥、免疫浸潤或組織壞死，材料在體內的降解、穩定性表現也符合醫療需求。特別值得一提的是，該研究還展示了結合 GV Ca2? 傳感器的新穎成像方案，可以在體內實時追蹤交聯過程與材料空間分布，提高了操作的可見性和安全性。

  展望未來，DISP 技術有潛力重塑多種醫療應用場景。對于腫瘤精準治療，它可以直接把藥物材料打印到病灶周圍，減少全身性藥物暴露；對于組織修復與再生，它可以像“補墻”一樣在受損區域直接構建修復支架或細胞載體；對于體內可穿戴電子學，它可能實現無創植入傳感器、導線、電極，建立新一代體內-體外交互系統。這不僅是3D打印技術的突破，更是精準醫療走向真正個性化、無創化的重要一步。當然，DISP 也面臨諸多挑戰，例如如何適應復雜動態器官（如心臟、肺部）的運動、如何優化超聲參數與系統響應、如何跨越從動物實驗到人體臨床的巨大轉化門檻等，這些都需要跨學科的深入探索與協作。

圖1. 基于成像引導的活體深部聲波打印（DISP）示意圖。通過聚焦超聲（FUS）驅動和氣泡囊泡（GVs）實時成像，結合溫敏脂質體（LTSLs）封裝的交聯劑，實現在活體組織深部按需釋放并交聯生物油墨，構建導電、藥物負載、細胞包埋等多功能水凝膠結構，為精準治療和再生醫學提供無創、精準的在體制造方案。

圖2. 研究展示了聚焦超聲（FUS）驅動的三維打印特性。超聲波能精準穿透組織，將生物油墨準確定位到深部，比傳統的紫外光、近紅外等光源具有更強的穿透力。熱模擬結果顯示，在不同頻率和照射時間下，聚焦區域的溫度分布高度可控，而壓力分布實驗與模擬也證實了超聲聚焦的精準性。研究團隊利用這一系統打印出精細的水凝膠圖案，在不同功率和打印速度下，海藻酸鹽油墨表現出良好的打印分辨率，甚至能穿透 15 毫米厚的豬肉組織完成深部打印。此外，這些打印出的水凝膠圖案還能通過簡單的化學處理快速解離，為體內可逆材料制造提供了新途徑。

  總體而言，這項來自加州理工學院、南加州大學、UCLA 等頂尖科研團隊的工作，展示了用聲波“作筆”、在活體內精準制造生物材料的巨大潛力。未來，隨著這項技術的不斷優化和拓展，它或許將成為微創醫療、再生醫學、體內電子學等領域的核心工具，推動生物醫學進入一個全新的范式時代。對于追求更安全、更高效、更精準醫療方案的人類社會來說，這無疑是一場革命性的進步。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt0293