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隔空实现体内打印?这项 3D 打印技术已登上《科学》杂志!

作者:www.cechina.cn2023.12.12阅读 19800

  导读:这是一项新的基于超声波的 3D 打印技术,可以在生物体内深层的组织、骨骼和器官内实现“隔空打印”。这是传统的基于光的 3D 打印方法无法达到的效果,也是3D打印技术在医学(尤其是外科等方向的微创手术)领域的一次革新。
  
  12月7日,杜克大学研究团队发布了一项基于超声波的 3D 打印技术,其学名为“深穿透声学体积印刷(DAVP)”。
  该 DAVP 技术使用粘弹性墨水和高强度聚焦超声波,突破了传统3D对打印平台或光敏的依赖,可以在距离不透明介质几厘米深的位置(如生物体内深层的组织、骨骼和器官内),实现“隔山打牛”式的打印。
  目前该技术已登上《Science》科学杂志。
  
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  1、传统 3D 打印技术的局限性
  3D打印技术是一种快速原型制造技术,其基本原理是使用可编程的激光束或喷墨打印机逐层沉积材料,从而构建出三维物体。3D技术可以用于制造模型、零件、工具等,并且可以在不同的材料上应用,如塑料、金属、陶瓷等。
  但传统3D技术也存在一些问题控制工程网版权所有,比如打印速度太慢、打印精度不够高等,且大多依靠光来触发透光墨水的光聚合反应。在用于医学领域时,这些缺陷显得尤为明显。
  在过去几年中CONTROL ENGINEERING China版权所有,为了解决上述问题,研究人员开发了一种光敏墨水,它可以直接响应目标光束,并快速硬化成所需的结构。这种光敏型打印技术虽然大大提高了打印的速度和质量,但又受限于只能使用特定的透明墨水进行打印。
  光敏型 3D 打印的生物医学用途也受到限制,因为光线无法深入透过皮肤表层,深入体内几毫米的深层组织。
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  2、超声波 3D 打印,摆脱“光依赖”
  为了解决3D打印在医学层面的应用问题,美国 Brigham 医院副生物工程师、哈佛医学院副教授 Y. Shrike 张和杜克大学生物医学工程副教授 Junjie Yao 联合研发了这种新的基于超声波的 “深穿透声体积打印 ”技术。
  这项新技术的革新主要集中于一种特殊的声波墨水,它是水凝胶、微粒和分子的组合,专门对超声波产生反应。
  该超声波 3D 打印的过程如下:首先,使用注射等方式将声波墨水输送到目标区域,然后使用专用的超声波打印探头将聚焦超声波发送到墨水中。
  随后,声波墨水会吸收声波中的能量,墨水中的材料升温、连接在一起并硬化,最终在指定的位置形成固态物体。
  
  声波墨水的固化过程控制工程网版权所有,图源:杜克大学官网
  声波墨水硬化后形成的固态结构可以有多种形态,比如硬度可以模仿骨骼硬度的支架,或是柔软到可以放置在器官里面的的水凝胶气泡。
  该墨水还可以通过调整配方以适应多种用途,例如想创建一个坚硬的支架来帮助断骨愈合,则可以在墨水中添加更多骨矿物质颗粒。
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  3、超声波 3D 打印的医学实验
  目前杜克大学团队已经使用超声波3D打印技术实现了三种不同类型的医学实验。
  第一个实验是挑战传统的大型外科手术:使用墨水密封动物心脏。
  动物患有非瓣膜性心房颤动时,心脏会无法正常跳动CONTROL ENGINEERING China版权所有,导致血液积聚在器官中。传统治疗通常需要开胸手术来封闭左心耳,以降低血栓和心脏病发作的风险。
  本次实验使用导管将超声波墨水输送到实验山羊心脏的左心耳。然后超声波探头发出的聚焦超声波穿过 12 毫米的组织使墨水硬化,但没有损坏任何周围的器官。
  完成打印后,墨水安全地粘合到心脏组织上,在非常灵活的同时也足够坚韧,完全可以承受模仿心脏跳动的运动强度。
  
  使用声波墨水密封山羊心脏过程,图源:杜克大学官网
  第二个实验则是小型骨科修复手术。在该实验中,该团队去掉了一只鸡腿的一部分骨头,然后在缺少骨头的区域注入混有样本皮肤和肌肉组织层的超声波墨水,墨水硬化后产生的材料与骨头无缝粘合,且不会对任何周围组织产生负面影响。
  第三个实验则是治疗药物的输送:先将化疗药物加入声波墨水中,然后输送到肝脏组织样本中。随后使用探针将声波墨水硬化成水凝胶,该水凝胶会缓慢释放化疗药物,并扩散到需要治疗的肝组织中。
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  超声波 3D 打印的未来
  由于超声波的穿透深度比光深要高上 100 倍,因此超声波墨水可以以非常高的空间精度送达生物体内深层的组织、骨骼和器官内,并实现“隔空打印”。这是基于光的 3D 打印方法无法达到的效果,也是3D打印技术在医学(尤其是外科等方向的微创手术)领域的一次革新。
  尽管距离该技术的实际应用还有漫长的研发、临床研究等环节,其医学实验结果已足以证明其广阔的市场前景。
  目前国内头部的3D打印厂商www.cechina.cn,如铂力特、华曙高科等,其医疗产品主要集中在齿科、模具、硬组织植入物等方向。往长远角度来看,这种超声波3D打印的成熟可能会催生一条基于超声波的医学3D打印产业。
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