科学家提出声波墨水通用设计原则，解决3D打印穿透难题，能用于工程复合材料的立体制造

近日，美国哈佛医学院与布莱根妇女医院匡晓博士和所在团队，开发出一种声波墨水和声学打印技术。通过吸收超声波，这种墨水可以固化成不同的 3D 形状和结构。

其将这种技术命名为“深穿透声学立体打印技术”（DVAP，deep-penetration acoustic volumetric printing）。通过此，课题组加深了对于超声和物质互作的理解，为设计通用型声波墨水带来了指导。

同时，他们首创的深穿透声学立体 3D 打印技术，解决了传统 3D 打印技术的一系列问题。

为了理解超声和物质的相互作用，课题组通过理论研究和实验结果，证明了这一结论：对于具有相转变粘弹性的墨水来说，通过自增强的粘度、以及剪切变稀这两个相反的效应，可以解决声流和声穿透这对矛盾。

另外，他们还首次观察到环境温度依赖的自增强声热效应，为打印参数的选择提供了一定指导。

通过引入深穿透声学体积打印技术，课题组采用一种声波敏感型的生物相容水凝胶墨水，在厘米级生物组织深度之上实现了高速打印，为微创医学和组织打印提供了新的可能，是增材制造领域的一项令人兴奋的突破。

据了解，下一代医学正在向个性化、精准化和微创化发展，其中 3D 打印技术将扮演重要的角色。3D 打印的工程组织、以及支架，应用于体内时，需要采取手术方式，在暴露的创伤处进行植入。

这时就算使用原位3D打印技术，也需要在具有开放性的创伤部位进行。相比之下，本次提出的深穿透声学立体打印技术则有望用于活体的微创打印，从而实现前所未有的微创制造与术前干预的结合。

同时，深穿透声学立体打印技术在微创医学、组织重建和再生、药物输送等方面，也展现出了一定的潜力。

研究中，他们开展了多项体外测试。结果显示：

• 通过穿透心脏组织，打印出一种水凝胶，以用于封闭山羊心脏的心包，有望实现以微创方式治疗房颤；

• 通过穿透肌肉组织，打印出一种纳米复合水凝胶，以用于大体积骨缺损的重建与再生；

• 通过穿透肝脏组织，打印出一种能够负载化疗药物的洗脱水凝胶，以用于药物递送。

（来源：Science）

据介绍，3D 打印可以精确、快速地制造复杂结构，故引起了诸多领域的广泛关注。对于目前的 3D 打印方法来说，通常要通过被线性平移台控制的构建平台，来逐层地实现材料固化，存在构建缓慢、表面质量较低等问题。

立体打印是一种新兴的增材制造技术。它的原理在于：通过放弃逐层打印，不仅可以增强打印速度，还能提高表面质量的物体。

然而，现有的立体打印技术几乎完全依赖于光能，即通过引发透明油墨中的光聚合反应来实现快速固化。

光在油墨中传播会受到添加成分，比如光吸收剂、纳米粒子、和已固化材料等的影响，从而引起光能快速衰减。这极大限制了材料的选择性和打印尺寸。

因此，基于光的立体打印，不能实现不透明或者光散射体系的深穿透的打印，也限制了其在微创制造等场景应用。为了解决这些挑战，他们开展了本次研究.

（来源：Science）

美国哈佛医学院教授和美国杜克大学教授，是本次论文的共同通讯作者。这两位教授早在读博期间就已经是同学，如今他们已经建立十多年的友谊与合作关系。

担任论文第一作者的匡晓表示：“他们这种相互信任与无保留的合作，让我印象十分深刻，也非常利于我们合作项目的进展。”

图 | 匡晓（来源：匡晓）

研究伊始，两位通讯作者希望通过融合超声和生物制造，解决传统3D打印技术的穿透深度低问题，从而开发一种基于深穿透立体的新型打印方法。

首先，他们设计了声波墨水。要想在聚焦声波作用之下，让墨水精确、快速地固化成所需结构，并非一件易事。

而论文一作匡晓结合自身的化学材料知识，设想了多种材料固化原理，通过几十次反复尝试之后，终于提出了一种通用型声波墨水设计原则。

然后，他们完成了打印机的构建。即打造了几款聚焦超声波打印机，它们的工作模式各不相同。为了提高打印机的分辨率和速度，可以进一步优化了打印参数。

随后，他们开始进行声学建模。要想研究打印参数对于声学打印行为的影响，就必须理解声波-材料的相互作用。

这时，匡晓与合作者荣强周博士密切合作，顺利完成了声学建模，从而为墨水设计和墨水打印提供了指导，确保了深穿透声学立体打印技术的可行性。

最后，他们着手进行应用验证。即将深穿透声学立体打印技术在生医应用上进行验证。期间，该团队设想了多种应用场景，包括心包封堵、组织重建、药物递送等。

在本次研究之中，除了第一作者匡晓和两位通讯作者之外，这一课题的团队成员前后包括：三名博士后、两名博士、两名硕士、一名本科生。

项目早期，匡晓和其中一位博士后是研究的主力，前者负责开发超声墨水，后者负责复杂测试。期间历经十几次失败，课题一度停滞不前。

匡晓说：“更加困难的是合作者因为工作原因而离开，但我没有放弃。欣慰是教授安排了一个硕士生 Saud 跟我合作。”

匡晓继续说道：“为了推进项目，2021 圣诞节我从波士顿开车去杜克大学与 Saud 一起做实验。期间，我遇到了荣强周博士，我邀请他加入项目，他被我的研究热情与执著打动，也欣然加入项目团队。”

之后，在突破声波墨水设计的瓶颈后，匡晓和合作者解决各种问题，顺利推进项目，积累了大量的实验和理论结果。

最后，工作相关论文以《自增强声波墨水实现深度穿透声学立体打印》（）为题发在 Science[1]，匡晓，荣强周和 Saud 是第一作者，和担任共同通讯作者。

匡晓表示：“这个研究工作完美集合了我在材料、先进制造和生物医学工程三方面的专长，开创了声学制造的新领域，并将对化学、材料、机械、生物医学工程等多个学科领域产生影响。”

（来源：Science）

未于应用研究而言，他希望能更深入地理解声学制造技术，实现一定的成果转化。于基础研究而言，他将开发更加先进的的表征手段，更好地理解超声波与材料在分子水平的相互作用。

同时，也将结合先进的模拟手段，加深对于声场-化学耦合等多物理现象的理解。同时，他也将寻找最合适的疾病模型与场合，开展更加深入的动物实验和前临床试验验，包括开展小动物实验和测试大动物模型等。

“当然本次技术不仅限于生物医学应用。这种聚焦超声的深穿透以及高精度能量递送，也可用于工程复合材料的立体制造。”匡晓说道。

另外，他也提出将开展跨学科的合作研究。

其一，需要跟力学机械领域的专家合作，深入探索背后的多物理现象与原理，实现打印的精准控制和设备的优化升级。

其二，声学打印的实现主要依赖于新型墨水的设计。这就需要和化学家以及材料学家开展合作，从而开发能够满足不同场景的材料需求。

其三，要想实现生物医学应用的转化，还需要跟临床医生进行密切合作，从而拓宽本次技术的适用范围。

另据悉，匡晓本科和博士分别毕业于北京化工大学和中国科学院化学所。博士毕业之后，他先是在美国佐治亚理工学院开展博士后研究。

目前，他在哈佛医学院与布莱根妇女医院进行博士后研究。同时，他在美国塔夫茨大学担任兼职讲师，负责为本科生和研究生讲授 3D 打印理论课程和实验课程。

 

参考资料：

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.