在《Science》期刊发表的这篇文章中，美国的科研团队开发了一种名为成像引导深层组织体内声打印（DISP）的平台。这项技术旨在克服传统三维打印在医学应用中的局限性，尤其是需要侵入性手术的限制。DISP通过将低温敏感脂质体作为载体，结合聚合物生物墨水和聚焦超声技术，实现了在活体动物深层组织中精确、快速的生物材料交联。这种方法不仅可以实时监控打印过程，还能在小鼠膀胱和兔子腿部肌肉中成功实现体内打印，展示了其在局部药物递送和组织替换方面的潜力。DISP能够打印导电、载药、含细胞和生物粘附性生物材料，显示出其在多种生物医学应用中的广泛适用性。
 

研究背景
    三维（3D）生物打印技术在医学领域中展现了巨大的变革潜力，能够为患者量身定制植入物、复杂的医疗设备和组织替代物。然而，这些构造的植入通常需要侵入性手术，限制了其在微创治疗中的应用。尽管近红外（NIR）光作为一种生物安全的能量源被用于体内打印，但其应用仅限于皮下组织，因为光的穿透深度有限。超声技术以其深层组织穿透能力和非侵入性特点，为体内打印提供了一个有前景的平台。其实时成像能力使得在原位生物材料制造过程中能够实现精确的定位和控制。

    在体内打印技术中，主要挑战在于开发能够适应多种生物材料的多功能生物墨水配方，以确保在各种医疗场景中的广泛适用性，同时保证高生物相容性和最小的残留预聚物毒性。为了解决这些问题，全面的体外和体内研究是必不可少的。此外，推进这些技术需要能够进行大规模和高分辨率打印的系统，并与实时成像无缝集成，以确保精确的焦点定位，最小化非目标组织的影响，并加速临床转化。研究团队开发了一种成像引导的深层组织体内声打印（DISP）平台，该平台利用低温敏感脂质体（LTSLs）作为载体，携带交联剂，以实现深层组织内生物材料的精确和可控的原位制造。

研究发现
这篇论文开发了一种名为DISP（深组织体内声波打印）的平台，该平台利用成像引导的超声波打印技术，实现了在体内深层组织中精确制造生物结构。研究团队通过将低温敏感脂质体（LTSLs）作为载体，携带交联剂并将其整合到生物墨水中，利用聚焦超声（FUS）实现了多种功能性生物材料的快速、按需交联。DISP平台的一个显著优势是其能够在活体动物中进行实时监测和定制化图案创建，成功地在小鼠膀胱和兔子腿部肌肉中进行体内打印，展示了其在局部药物递送和组织替代方面的潜力。

DISP平台能够实现高分辨率（约150微米）和快速打印速度（最高可达40毫米每秒），并成功打印了包括导电、载药、细胞负载和生物粘附性水凝胶在内的多种功能性生物材料。通过集成气泡囊（GV）为基础的超声成像，DISP平台能够在打印过程中进行实时监控，确保精确的焦点定位和体内交联的验证。研究还表明，DISP技术在活体动物中的应用具有高生物相容性，且其打印的水凝胶结构在组织中表现出良好的稳定性和功能性。这一技术的成功应用展示了其在生物电子学、药物递送、组织再生和伤口密封等多种生物医学应用中的广泛潜力。

临床意义
微创植入和治疗：DISP技术可以在无需手术的情况下，直接在体内特定部位打印生物结构。这对于需要快速修复和替换组织的情况下尤为重要，例如组织再生、药物递送和伤口密封。  多功能生物材料应用：研究展示了DISP技术能够打印导电、载药、载细胞以及具有生物粘附性的水凝胶材料。这种多功能性为个性化医疗应用提供了广阔的可能性，包括制备生物电子设备、局部药物输送系统以及组织再生平台。  实时成像与精确控制：DISP集成了气泡囊基的超声成像技术，允许实时监控打印过程，确保打印的精确性和高分辨率。这为临床应用中的精准性提供了保障，减少了对健康组织的潜在损害。  生物相容性与安全性：研究的体内实验表明，使用该技术打印的水凝胶在生物相容性上表现良好，并且没有显著的毒性反应。这为其临床应用的安全性提供了有力的支持。  潜在应用领域：研究成功展示了在小鼠膀胱和兔子腿部肌肉中进行体内打印的能力，显示出该技术在治疗性干预和组织替换方面的巨大潜力。  总体而言，DISP技术为微创医学治疗中的生物打印开辟了新的领域，具有显著的临床应用潜力，尤其是在需要精准、快速和安全的组织修复与替换的医疗场景中。

实验策略
1. 生物墨水的设计与使用：  使用低温敏感脂质体（LTSLs）作为交联剂的载体，这些LTSLs在温度略高于体温时被激活，释放交联剂。 生物墨水（US-ink）由生物聚合物、交联剂-封装的LTSLs和气泡囊（GVs）组成，后者作为超声成像的对比剂。
2. 声波聚焦技术的应用：  使用聚焦超声波（FUS）技术，通过自动定位系统将FUS聚焦点精确定位在US-ink上。 FUS引发局部加热，导致LTSLs释放交联剂，实现US-ink的即时原位交联。
3. 成像与监控：  整合的气泡囊（GVs）基超声成像技术提供实时监控，确保精确的打印过程。 通过超声波的实时成像，精准地监控打印过程和交联验证。
4. 实验验证与应用：  在小鼠膀胱和兔子腿部肌肉中进行活体实验，验证DISP的实用性。 成功打印了导电、药物负载、细胞负载和生物粘附性水凝胶，展示了DISP在生物电子学、药物递送和组织再生等多个生物医学领域的潜力。

数据解读
 

Figure 1 展示了DISP平台如何通过超声波墨水（US-ink）在体内非侵入性地构建精确的功能性生物结构。该系统结合了基于气泡的超声成像，以监测目标器官、检测预聚物的存在并确保准确定位和成功的超声凝胶形成。  A. DISP平台的示意图。DISP系统使用一种由未交联预聚物、载有交联剂的温敏脂质体（LTSLs）和气泡组成的超声波墨水。超声波墨水被注射到体内，用于非侵入性地构建精确的功能性生物结构。集成的基于气泡的超声成像用于监测目标器官，检测预聚物的存在，并确保准确定位和成功的超声凝胶形成。  B. 用于聚焦超声（FUS）生成和监测的体内打印设置。RF代表射频，T/R代表发射器/接收器。  C. 载有交联剂的温敏脂质体（LTSLs）的透射电子显微镜（TEM）图像。比例尺为100纳米。  D. 冻干的三维打印海藻酸盐超声凝胶的扫描电子显微镜（SEM）图像。比例尺为20微米。  E. 使用声波进行体内打印的功能性水凝胶结构。比例尺为5毫米。  F-H. 基于DISP的体内打印用于传感和记录的生物电子设备（F），用于药物递送和组织再生的生物载体（G），以及用于伤口密封和设备/组织接口的生物粘合剂（H）。  结论：DISP平台能够在体内非侵入性地构建多种功能性生物结构，包括生物电子设备、生物载体和生物粘合剂，展示了其在医学应用中的潜力。
 

Figure 2 展示了低温敏感脂质体（LTSLs）的合成及其在交联剂释放中的应用。  A. 通过示意图展示了LTSLs在温度轻微升高时，由固态向液态的相变过程，从而在脂质双层中形成纳米孔的机制。  B. 通过挤出工艺实现了大规模生产负载交联剂（如Ca2+）的LTSLs。  C. 通过动态光散射（DLS）分析了LTSLs在挤出前后的变化，结果显示挤出后LTSLs的粒径发生变化。  D. 使用荧光成像技术和fura-2-乙酰氧甲酯作为细胞内钙指示剂，对Ca2+负载的LTSLs进行了成像，结果显示了Ca2+的存在。  E. 稳定性研究显示，在4°C和25°C储存1个月和6个月后，LTSLs中Ca2+的释放情况，结果表明温度对Ca2+释放的影响。  F. 通过紫外-可见光（UV-vis）分析，研究了LTSLs在43°C下不同时间的变化，结果显示温度对LTSLs的影响。  G. 研究了LTSLs在43°C和37°C下的温度依赖性Ca2+释放，结果表明在43°C时Ca2+释放更显著。  H. 研究了在固定LTSLs浓度为50 wt%时，不同加热温度下海藻酸盐US-墨水的交联时间，结果显示温度对交联时间的影响。  I. 通过储能模量（Gʹ）和损耗模量（Gʹʹ）评估了不同LTSL浓度下海藻酸盐US-墨水的离子交联，插图展示了含有0%、15%和50% LTSLs的海藻酸盐US-墨水在43°C暴露30秒后的凝胶状态。  J. 测量了不同LTSL浓度下海藻酸盐US-墨水的交联时间，结果显示LTSL浓度对交联时间的影响。  K. 通过活/死染色成像观察了人真皮成纤维细胞在海藻酸盐、含50% LTSLs的海藻酸盐US-墨水和海藻酸盐US-凝胶中培养7天后的状态，结果显示细胞的存活情况。  结论：低温敏感脂质体能够在温度变化时有效控制交联剂的释放，并且在生物材料的交联过程中表现出良好的性能。
 

Figure 3 展示了聚焦超声（FUS）在3D打印中的应用特性，包括其穿透深度、温度分布、压力分布以及打印分辨率等方面的特性。  A. 通过示意图展示了聚焦超声波（FUS）波传播的过程，说明了其对超声墨水（US-ink）的精确定位能力。  B. 比较了超声波与各种光源（如UVA、UVB和近红外光）在组织中的穿透深度，结果显示超声波具有更优越的穿透能力，并指出超声频率与穿透深度之间的反比关系。  C. 通过热模拟展示了在不同频率和曝光时间下，焦点处的温度分布情况，尺度标尺为2毫米。  D. 展示了在8.75 MHz频率下，聚焦超声在10秒曝光期间及之后的焦点温度变化曲线。  E-H. 使用2.65 MHz换能器在X-Z平面和X-Y平面进行的实验测量和模拟结果，展示了焦点处的标准化压力分布图。E和F为实验测量结果，G和H为模拟结果。  I. 展示了DISP打印的超声凝胶（US-gel）图案，插图的尺度标尺为400微米，右侧图案的尺度标尺为4毫米。  J. 使用8.75 MHz换能器在不同功率水平和打印速度下，评估了海藻酸盐超声墨水的可打印性。  K. 使用8.75 MHz换能器在不同功率水平和打印速度下，测量了海藻酸盐超声墨水的打印分辨率，以线宽表示，尺度标尺为5毫米。  L. 在15毫米厚的猪腰肉组织下，以18 W功率、不同频率和打印速度打印时，测量了海藻酸盐超声墨水的打印分辨率，以线宽表示。插图为猪肉组织上的深层打印图案，尺度标尺为5毫米。  M. 使用DISP技术，通过5分钟的0.025 M EDTA溶液处理，展示了在组织上图案化的海藻酸盐超声凝胶的解离过程。图中的误差线表示平均值的标准偏差（n = 3）。  结论：聚焦超声在3D打印中具有精确的定位能力、优越的组织穿透性、可控的温度和压力分布，以及良好的打印分辨率和可控的凝胶解离特性。
 

Figure 4 A. 为了展示导电性US-ink的组成，作者提供了一个示意图，显示了碳纳米管（CNT）添加剂在海藻酸盐US-ink中的缠绕，并通过聚焦超声（FUS）进行交联。  B. 通过测试导电性US-gel图案在循环弯曲变形下的稳定性，发现其电学性能保持稳定。  C. 通过打印的导电性US-gel进行温度感应测试，结果显示在与人体皮肤接触时，温度传感器的响应是一致且可逆的。  D. DISP打印的导电性US-gel传感器用于人类参与者的心电图（ECG）和肌电图（EMG）记录。  E. 将治疗性生物分子整合到US-ink中，形成生物载体US-gel，展示了其作为药物递送应用的潜力。  F. 通过US-gel的模型药物罗丹明B的持续和可持续释放，展示了其药物释放能力。  G. 通过将细胞整合到生物相容性US-ink中，然后使用8.75 MHz的换能器以7 W和10 mm/min的打印速度进行打印，制备了细胞封装的US-gel。  H. 通过活/死染色图像观察到，打印后第1天和第3天，封装在海藻酸盐US-gel中的C2C12小鼠成肌细胞的存活情况。比例尺为100 μm。  I. 从打印后第1天到第7天，评估细胞的代谢活性。插图显示了使用8.75 MHz换能器以7 W和10 mm/min的打印速度打印的细胞负载US-gel图案，3天后显示活细胞。比例尺为200 μm。  J. 通过将儿茶酚修饰的明胶-咖啡酸共轭物（GelCA）US-ink与NaIO4脂质体混合，展示其在生物粘附应用中的潜力。  K. 测试了GelCA US-ink在交联前后的粘附强度。插图显示了GelCA US-ink在轻微加热和交联前后的图像。  L. 在离体粘附测试中，GelCA US-gel用于封闭穿孔的心脏组织。比例尺为5 mm。  M. 在体内US诱导的粘附中，FUS促进了预聚物喷射到组织中，随后通过原位交联海藻酸盐US-ink实现机械互锁。  N. 在活体动物上，通过皮内注射US-ink并使用2.65 MHz换能器以7 W和20 mm/min的打印速度进行交联，打印了海藻酸盐US-gel。观察到海藻酸盐US-gel与组织之间的强界面粘附，使用蓝色染料以提高可见性。比例尺为6 mm。  结论：图4展示了基于声打印的3D打印技术在生物材料的多种医学应用中的潜力，包括导电性、药物释放、细胞封装和生物粘附等功能。
 

Figure 5 展示了在活体动物中进行成像引导的深层组织声打印技术及其实验结果。  A. 为了在活体动物中进行声打印，实验采用超声成像进行精确定位。插图展示了一只小鼠体内打印的线性图案，比例尺为4毫米。  B-C. 使用AM模式超声成像和GV对比剂监测体内US-ink的分布，并确保精确定位。超声图像插图显示了在横截面中打印和成像的GV整合藻酸盐US-ink线。未暴露于聚焦超声（FUS）的GV保持完整，而暴露于FUS的GV则崩溃。  D. 在麻醉小鼠的膀胱肿瘤部位进行体内US-gels打印。通过GV崩溃确认成功定位。打印后，提取小鼠膀胱以验证打印成功，比例尺为4毫米。  E. 使用集成到藻酸盐US-inks中的GV Ca2+传感器进行原位Ca2+感应，设计用于在暴露于Ca2+时激活。使用AM模式超声成像打印并在横截面中成像一条线。打印线中心的较高压力导致部分GV Ca2+传感器崩溃，而打印US-gel边界的GV Ca2+传感器被激活，确认了形状。  F. 在兔模型的腹部肌肉上使用2.65MHz FUS以11 W和15 mm/min的速度打印US-gel线，比例尺为5毫米。  G. 使用2.65 MHz FUS以20 W和10 mm/min的速度将US-gel线打印到内收肌深处和股二头肌下方，比例尺为5毫米。  H. 通过苏木精-伊红染色（H&E）评估US-ink皮内注射和超声打印US-gel在小鼠体内的生物相容性，分别在打印后1周和4周对皮肤组织进行评估，比例尺为200微米。  结论：实验展示了成像引导的深层组织声打印技术在活体动物中的应用，验证了其在精确定位、打印形状确认及生物相容性方面的有效性。

主要结论
这篇由Davoodi等人发表在《Science》上的论文介绍了一种影像引导的深层组织体内声波打印（DISP）平台。该技术利用超声波深入体内进行三维生物打印，解决传统方法需要侵入性手术的问题。DISP通过将载有交联剂的低温敏感脂质体整合到生物墨水中，实现了精准、快速的交联。这种方法在小鼠膀胱和兔子腿肌肉中进行了体内验证，展示了其在局部药物递送和组织替代方面的潜力。DISP能够打印导电、药物负载、细胞负载和生物粘合的生物材料，显示出在不同生物医学应用中的多功能性。

讨论总结
研究指出，DISP技术通过影像引导的超声波实现了高精度和高分辨率的生物结构深层体内打印。由于使用了众多交联化学物质，这项技术设计了各种生物墨水，包括导电、药物负载、细胞负载和生物粘合的配方。实时超声成像确保了在体内的精准目标定位和交联控制。不仅体外研究显示高生物相容性，体内研究也证实了预聚合物和打印的水凝胶的高生物相容性。作为概念验证，该技术在小鼠膀胱和兔子腿肌肉中成功实现了体内打印，展示了其在精准治疗干预和组织替代方面的潜力。这一创新为未来的精准医疗和组织工程开辟了新的可能性。

(责任编辑：admin)

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