那一天，科学家在我的肚子里3D打印了起来

人一上了年纪，身体就开始罢工。我的奶奶最近就同时出现了面部关节和膝关节问题，疼得她走路困难，甚至难以吃饭和说话。由于她年事已高，医生不敢贸然实施手术，像膝关节置换这样的方案只能暂时搁置。毕竟，这类手术需要切开关节，将原本受损的部分替换为由金属和塑料制成的人工关节，这对八旬老人而言是一次不小的挑战。

有没有可能不动刀，直接在体内就地制造出修复关节的材料呢？今年5月，美国加利福尼亚理工学院（Caltech）的高伟教授团队在《科学》（Science）上发表了一项研究：他们开发了一种能在活体内精准3D打印的方法，名为“深层组织在体声波打印”（DISP）。

现场制造

传统的3D打印技术通过逐层堆叠材料并加以固化，从而构建出我们所需的各类形状。这项技术已被广泛用于工业和医疗领域，其中也包括打印定制化的植入物和医疗设备等。但高伟意识到，若要将3D打印的成品应用于人体内，其中一个关键障碍是需要进行手术。于是，他希望能跳过这一步，直接在体内的指定位置构建生物材料。

如果能将用于组装的生物墨水注入体内，并通过某种方式让它们仅在特定部位聚合，就有可能实现体内3D打印。高伟指出，与药物递送机器人相比，这项技术的优势在于“现场制造”：直接在靶组织原位快速打印功能材料，如药物载体、细胞支架或导电水凝胶，而无需手术植入。

其实早在2020年，四川大学的研究团队就曾开发过类似的技术。他们利用近红外光（NIR）引导生物墨水在指定区域聚合，成功实现了基于光控的体内材料构建。然而，高伟表示，光波在人体组织中容易被吸收和散射，通常只能到达皮下几毫米深的区域。

因此，要想真正实现更深层组织中的在体3D打印，并推动这项技术走向临床应用，还需要一种穿透力更强且没有副作用的手段。为此，高伟团队选择了聚焦超声（FUS），这是一种能将高频（>2 MHz）声波精准聚焦于特定点位的方法。借助FUS，他们能将超声波能量传导至皮下几厘米甚至更深的区域，从而显著拓展了3D打印在体内的应用范围，也提升了空间精度。

为了让生物墨水中的聚合物单体仅在指定区域聚合，高伟团队将交联剂封装在了一种特殊的温敏脂质体中，然后和聚合物单体一起注射进需要的部位。这种脂质体在正常体温环境下能稳定存在，可一旦被聚焦超声“击中”，局部温度升高，脂质体膜上就会出现纳米孔道，释放封装在其中的交联剂，使周围的聚合物单体发生化学反应而交联。因此，聚焦超声定位到哪里，哪里就会触发局部“打印”，可以精准构建所需的形状。

这种策略既精准又安全。高伟表示，借助聚焦超声的空间聚焦能力和温度反馈，他们能将加热精确限定在目标区域，并且局部温度仅上升约5°C～6°C（从37°C至43°C），对周围组织几乎没有影响。这种方法可以穿透厚达4厘米的组织，打印分辨率达150微米，打印速度也高达每秒4厘米。

潜力广泛

研究团队在动物组织及活体模型中进行了测试。在其中一项实验中，他们将含有阿霉素（一种常用化疗药物）的生物墨水注入了患有膀胱癌的小鼠膀胱，接着在肿瘤部位现场“打印”了药物载体，以测试其治疗效果。结果显示，这种方式能显著提升药物在肿瘤部位的富集，增强了抗癌疗效。

研究人员也在兔子的腿部肌肉中测试了DISP技术在深层组织中的打印能力。一系列实验结果表明，这种体内3D打印并不会引发强烈的免疫反应，而且某些类型的生物墨水所打印出的材料，甚至可以在给予特定小分子后被可逆清除，这进一步提升了体内使用DISP技术的安全性。

除了打印用于药物递送的载体或组织修复的水凝胶，DISP平台还具备更广泛的潜力。例如，它还能用于精准递送细胞，甚至直接在体内打印生物电子器件，研究人员只需在生物墨水中掺入活细胞或导电材料（如碳纳米管、银纳米线等）即可。未来，这样打印出的生物电子器件或许可以用于监测心电图等生命体征。同时，这种技术也适配于多种生物墨水的聚合机制（如离子交联、自由基聚合和氧化交联等），极大地拓展了可用的生物墨水类型和应用场景。

高伟指出，膀胱和腿部肌肉只是他们目前用于验证DISP能力的两种器官和组织。未来，如果能通过血管或腔道将生物墨水输送至体内，这项技术还可能拓展至肝脏、肾脏、肺部和心脏等更多复杂的器官。不过他也强调，肺和心脏等动态运动的器官对3D打印过程提出了更高的要求，尤其是在聚焦定位与操作稳定性方面，因此还需要依赖精准的影像导航与严格的安全控制。

为了解决动态器官在3D打印过程中的挑战，高伟团队正开发基于机器学习的人工智能（AI）预测模型，用于估算器官的运动轨迹，并实时调整超声焦点，实现“跟踪式打印”。AI的加入有助于他们优化打印参数、预测器官行为，并动态调控打印路径，从而提升复杂环境下的操作精度。

一直以来，高伟团队都致力于推进精准和个性化医疗技术的发展，已经在可穿戴设备、微纳机器人和纳米医学等多个领域开发了一系列前沿技术。如今，DISP技术的诞生，是他们从体表监测与干预迈向体内治疗的关键一步。

未来，他们计划将这一技术进一步应用于更多器官和疾病模型，如在肿瘤微环境中打印可降解的药物载体，或者用于构建体内神经界面等。他们还希望能将DISP技术与传感器系统融合，打造具备实时监测能力的“智能体内装置”。此外，研究团队也在持续优化声场设计，并开发生物相容性更强、响应性更高的生物墨水材料，以推动这项技术走向临床。