近日，美國哈佛醫學院與布萊根婦女醫院匡曉博士和所在團隊，開發出一種聲波墨水和聲學列印技術。透過吸收，這種墨水可以固化成不同的 3D 形狀和結構。
其將這種技術命名為“深穿透聲學立體列印技術”（DVAP，deep-penetration acoustic volumetric printing）。透過此，課題組加深了對於超聲和物質互作的理解，為設計通用型聲波墨水帶來了指導。
同時，他們首創的深穿透聲學立體 3D 列印技術，解決了傳統 3D 列印技術的一系列問題。
為了理解超聲和物質的相互作用，課題組透過理論研究和實驗結果，證明了這一結論：對於具有相轉變粘彈性的墨水來說，透過自增強的粘度、以及剪下變稀這兩個相反的效應，可以解決聲流和聲穿透這對矛盾。
另外，他們還首次觀察到環境溫度依賴的自增強聲熱效應，為列印引數的選擇提供了一定指導。
透過引入深穿透聲學體積列印技術，課題組採用一種聲波敏感型的生物相容墨水，在釐米級生物組織深度之上實現了高速列印，為微創醫學和組織列印提供了新的可能，是增材製造領域的一項令人興奮的突破。
據瞭解，下一代醫學正在向個性化、精準化和微創化發展，其中 3D 列印技術將扮演重要的角色。3D 列印的工程組織、以及支架，應用於體內時，需要採取手術方式，在暴露的創傷處進行植入。
這時就算使用原位 3D 列印技術，也需要在具有開放性的創傷部位進行。相比之下，本次提出的深穿透聲學立體列印技術則有望用於活體的微創列印，從而實現前所未有的微創制造與術前干預的結合。
同時，深穿透聲學立體列印技術在微創醫學、組織重建和再生、藥物輸送等方面，也展現出了一定的潛力。
研究中，他們開展了多項體外測試。結果顯示：
透過穿透心臟組織，打印出一種水凝膠，以用於封閉山羊心臟的心包，有望實現以微創方式治療房顫；
透過穿透肌肉組織，打印出一種奈米複合水凝膠，以用於大體積骨缺損的重建與再生；
透過穿透肝臟組織，打印出一種能夠負載化療藥物的洗脫水凝膠，以用於藥物遞送。
（來源：Science）
據介紹，3D 列印可以精確、快速地製造複雜結構，故引起了諸多領域的廣泛關注。對於目前的 3D 列印方法來說，通常要透過被線性平移臺控制的構建平臺，來逐層地實現材料固化，存在構建緩慢、表面質量較低等問題。
立體列印是一種新興的增材製造技術。它的原理在於：透過放棄逐層列印，不僅可以增強列印速度，還能提高表面質量的物體。
然而，現有的立體列印技術幾乎完全依賴於光能，即透過引發透明油墨中的光聚合反應來實現快速固化。
光在油墨中傳播會受到新增成分，比如光吸收劑、奈米粒子、和已固化材料等的影響，從而引起光能快速衰減。這極大限制了材料的選擇性和列印尺寸。
因此，基於光的立體列印，不能實現不透明或者光散射體系的深穿透的列印，也限制了其在微創制造等場景應用。為了解決這些挑戰，他們開展了本次研究.
（來源：Science）
美國哈佛醫學院教授和美國杜克大學教授，是本次論文的共同通訊作者。這兩位教授早在讀博期間就已經是同學，如今他們已經建立十多年的友誼與合作關係。
圖 | 從左到右：、（來源：資料圖）
擔任論文第一作者的匡曉表示：“他們這種相互信任與無保留的合作，讓我印象十分深刻，也非常利於我們合作專案的進展。”
圖 | 匡曉（來源：匡曉）
研究伊始，兩位通訊作者希望透過融合超聲和生物製造，解決傳統 3D 列印技術的穿透深度低問題，從而開發一種基於深穿透立體的新型列印方法。
首先，他們設計了聲波墨水。要想在聚焦聲波作用之下，讓墨水精確、快速地固化成所需結構，並非一件易事。
而論文一作匡曉結合自身的化學材料知識，設想了多種材料固化原理，通過幾十次反覆嘗試之後，終於提出了一種通用型聲波墨水設計原則。
然後，他們完成了印表機的構建。即打造了幾款聚焦超聲波印表機，它們的工作模式各不相同。為了提高印表機的解析度和速度，可以進一步優化了列印引數。
隨後，他們開始進行聲學建模。要想研究列印引數對於聲學列印行為的影響，就必須理解聲波-材料的相互作用。
這時，匡曉與合作者榮強周博士密切合作，順利完成了聲學建模，從而為墨水設計和墨水列印提供了指導，確保了深穿透聲學立體列印技術的可行性。
最後，他們著手進行應用驗證。即將深穿透聲學立體列印技術在生醫應用上進行驗證。期間，該團隊設想了多種應用場景，包括心包封堵、組織重建、藥物遞送等。
在本次研究之中，除了第一作者匡曉和兩位通訊作者之外，這一課題的團隊成員前後包括：三名博士後、兩名博士、兩名碩士、一名本科生。
專案早期，匡曉和其中一位博士後是研究的主力，前者負責開發超聲墨水，後者負責複雜測試。期間歷經十幾次失敗，課題一度停滯不前。
匡曉說：“更加困難的是合作者因為工作原因而離開，但我沒有放棄。欣慰是教授安排了一個碩士生 Saud 跟我合作。”
匡曉繼續說道：“為了推進專案，2021 聖誕節我從波士頓開車去杜克大學與 Saud 一起做實驗。期間，我遇到了榮強周博士，我邀請他加入專案，他被我的研究熱情與執著打動，也欣然加入專案團隊。”
之後，在突破聲波墨水設計的瓶頸後，匡曉和合作者解決各種問題，順利推進專案，積累了大量的實驗和理論結果。
最後，工作相關論文以《自增強聲波墨水實現深度穿透聲學立體列印》（）為題發在 Science[1]，匡曉，榮強周和 Saud 是第一作者，和擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science）
匡曉表示：“這個研究工作完美集合了我在材料、先進製造和生物醫學工程三方面的專長，開創了聲學制造的新領域，並將對化學、材料、機械、生物醫學工程等多個學科領域產生影響。”
（來源：Science）
未於應用研究而言，他希望能更深入地理解聲學制造技術，實現一定的成果轉化。於基礎研究而言，他將開發更加先進的的表徵手段，更好地理解超聲波與材料在分子水平的相互作用。
同時，也將結合先進的模擬手段，加深對於聲場-化學耦合等多物理現象的理解。同時，他也將尋找最合適的疾病模型與場合，開展更加深入的動物實驗和前臨床試驗驗，包括開展小動物實驗和測試大動物模型等。
“當然本次技術不僅限於生物醫學應用。這種聚焦超聲的深穿透以及高精度能量遞送，也可用於工程複合材料的立體制造。”匡曉說道。
另外，他也提出將開展跨學科的合作研究。
其一，需要跟力學機械領域的專家合作，深入探索背後的多物理現象與原理，實現列印的精準控制和裝置的最佳化升級。
其二，聲學列印的實現主要依賴於新型墨水的設計。這就需要和化學家以及材料學家開展合作，從而開發能夠滿足不同場景的材料需求。
其三，要想實現生物醫學應用的轉化，還需要跟臨床醫生進行密切合作，從而拓寬本次技術的適用範圍。
另據悉，匡曉本科和博士分別畢業於北京化工大學和中國科學院化學所。博士畢業之後，他先是在美國佐治亞理工學院開展博士後研究。
目前，他在哈佛醫學院與布萊根婦女醫院進行博士後研究。同時，他在美國塔夫茨大學擔任兼職講師，負責為本科生和研究生講授 3D 列印理論課程和實驗課程。
參考資料：
1.Kuang, X., Rong, Q., Belal, S., Vu, T., López López, A. M., Wang, N., ... & Zhang, Y. S. (2023). Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing.Science, 382(6675), 1148-1155.
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