加州大學(xué) “直接聲音打印技術(shù)”，可在人體內(nèi)部直接3D打印手術(shù)植入物

2024年8月11日，南極熊獲悉，來(lái)自加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員憑借一項(xiàng)關(guān)于人體內(nèi)部 3D 打印途徑的提案，獲得了美國(guó)制造工程師協(xié)會(huì) 2024 年國(guó)家科學(xué)基金會(huì)制造業(yè)藍(lán)天大賽的 David Dornfeld 制造業(yè)最有前景獎(jiǎng)。該項(xiàng)目從 50 多個(gè)參賽作品中脫穎而出，擊敗了其他五名決賽選手，獲得了最高獎(jiǎng)項(xiàng)。

△加州大學(xué)戴維斯分校機(jī)械與航空航天工程助理教授 Mohsen Habibi 于 2018 年發(fā)現(xiàn)了直接聲音打印技術(shù)。（Steven Trinh/加州大學(xué)戴維斯分校）

研究人員在提案提出了一種在人體內(nèi)進(jìn)行 3D 打印的方法，南極熊此前也對(duì)這項(xiàng)極具突破性的技術(shù)進(jìn)行過(guò)報(bào)道：3D打印新技術(shù)：利用超聲波實(shí)現(xiàn)，DSP直接聲音打��！-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái) (nanjixiong.com)。

△這張圖展示了人體內(nèi)使用生物材料進(jìn)行 3D 打印的工作原理。（Habibi 提供）

藍(lán)天競(jìng)賽尋求跨學(xué)科的提案，提出具有遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)的想法，這些想法可以被描述為激進(jìn)的、離譜的、變革性的或突破性的；它們應(yīng)該“通過(guò)追求制造業(yè)研究愿景提出需要解決的重大挑戰(zhàn)，并展現(xiàn)出變革性影響的潛力”。

在他們的提案《突破障礙的打印：非侵入性深層人體打印的途徑》中，加州大學(xué)戴維斯分校機(jī)械與航空航天工程助理教授 Mohsen Habibi 和他的加州大學(xué)戴維斯分校合作者、生物醫(yī)學(xué)工程與外科教授Aijun Wang 以及兒科教授兼兒科臨床研究副主席 James Marcin 建議使用直接聲音打印 (DSP) 在人體內(nèi)3D 打印植入物或支架等物品，并減少侵入性手術(shù)的需要。對(duì)于體內(nèi) 3D 打印材料，研究人員建議使用生物相容性材料，將其注射到體內(nèi)，然后對(duì)超聲波源進(jìn)行空間調(diào)整以打印所需的形狀。

直接聲音打印技術(shù)

Habibi于 2018 年發(fā)現(xiàn)的新穎 3D 打印方法利用聲波（而不是光或熱）在物理屏障后面從聚合物溶液中創(chuàng)造出固體材料。該項(xiàng)技術(shù)被稱(chēng)為直接聲音打�。―SP），Habibi和他在加拿大蒙特利爾康考迪亞大學(xué)的同事于 2018 年春季首次成功打印出帶有聲音的物體。因此，雖然它需要微調(diào)和分析，但哈比比對(duì)其潛在應(yīng)用持樂(lè)觀態(tài)度。  

他表示：“我們可以在體內(nèi)打印植入物，而無(wú)需開(kāi)刀手術(shù)。另一個(gè)應(yīng)用是維修無(wú)法觸及的區(qū)域。假設(shè)你要維修飛機(jī)機(jī)身內(nèi)部，某個(gè)無(wú)法觸及的地方，我們需要打開(kāi)或破壞機(jī)身才能進(jìn)行打印或維修�！�

在這些場(chǎng)景中使用 DSP 將使外科醫(yī)生和工程師無(wú)需打開(kāi)任何東西即可工作，因?yàn)槁暡�可以穿透物理障礙在另一側(cè)進(jìn)行打印，這正是 Habibi 在 2017 年開(kāi)始進(jìn)行這項(xiàng)研究時(shí)所尋找的。  

△研究人員首次證明聲波可以在物理屏障后方利用聚合物溶液形成固體材料。

Habibi想看看他能否在不使用光的情況下完成 3D 打印過(guò)程，這是 3D 打印最主要的方法。然而，它的主要限制是無(wú)法穿透金屬或皮膚等不透明材料。為了在固體屏障的兩側(cè)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，哈比比求助于聲化學(xué)，它研究聲音和物質(zhì)之間的相互作用。  

Habibi開(kāi)始研究空化氣泡，即聲音在液體材料中產(chǎn)生空氣時(shí)產(chǎn)生的氣泡。他發(fā)現(xiàn)，這些氣泡可以利用超聲波在高頻下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并將液體樹(shù)脂轉(zhuǎn)化為固體聚合物基體。  

在他 2022 年發(fā)表在《自然》雜志上題為“Directsound printing”的論文中，打印的聚合物物體包括楓葉、蜂窩和齒輪等形狀，而哈比比則使用組織模型和真實(shí)的豬皮、脂肪和肌肉成功打印了耳朵和鼻子的形狀。哈比比和他的同事目前正在完成兩篇新論文，通過(guò)重新設(shè)計(jì)他的第一篇作品的打印機(jī)制來(lái)打印微流體設(shè)備等精確物體，探索打印分辨率和準(zhǔn)確度速度。

在加州大學(xué)戴維斯分校，他渴望與生物醫(yī)學(xué)工程系、獸醫(yī)學(xué)和加州大學(xué)戴維斯分校健康中心合作，研究這項(xiàng)新技術(shù)的可能性，該技術(shù)被加拿大領(lǐng)先的科學(xué)雜志之一《魁北克科學(xué)》評(píng)為 2022 年最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。