特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
研究背景
三維(3D)打印因其能夠直接制造幾何復雜結構的原型、高性能材料、多材料零件、柔性電子產品、醫療器械和工程組織而被廣泛研究。目前，已經開發出各種印刷方式，新興印刷技術與新型光固化油墨的結合已被開發出來，以提高印刷速度、印刷分辨率和打印輸出功能。無需構建平臺或墨水更新步驟即可創建 3D結構的體積打印可以顯著提高打印速度和表面質量。
關鍵問題
現有的體積印刷技術利用光在光學透明墨水中實現選擇性光聚合，然而，油墨本身的光衰減、功能添加劑、已固化部件的存在對基于光的體積印刷的材料選擇和構建尺寸施加了限制。盡管紅外(IR)光可用于將光穿透力提高到幾毫米，但將光深入到光學散射介質（例如生物組織）中仍然具有技術挑戰性?；诠獾牧Ⅲw打印在深度滲透數字制造方案以及微創制造場景中的應用具有內在的局限性。 超聲波比光的穿透力高100倍以上，有望沉積能量以引發深度聚合，但需要一個構建平臺來實現超聲打印，并且只能打印相對簡單的幾何形狀，因為高聲壓產生的強烈聲流擾亂了焦點區域的局部墨水。
新思路
有鑒于此，哈佛醫學院Yu Shrike Zhang和杜克大學Junjie Yao等人報告了一種用于深穿透聲學立體印刷（DAVP）的自增強聲波墨水（或聲波墨水）設計和相應的聚焦超聲書寫技術。作者使用實驗和聲學建模來研究頻率和掃描速率相關的聲學打印行為。DAVP實現了低聲流、快速聲熱聚合和大打印深度的關鍵特征，能夠打印各種形狀的體積水凝膠和納米復合材料。DAVP 還允許在生物組織中進行厘米深度的打印，為微創醫學鋪平了道路。作者提出并驗證了聲波墨水的設計，證實了概念的可行性和可推廣性，表明利用自增強聲熱效應可實現了長保質期和按需快速固化。作者開發了一款3D FUS打印機，表明通過優化FUS掃描速度、頻率和功率，可以靈活調整DAVP的打印分辨率。3、證實了基于DAVP可以打印多種體積結構且具有材料通用性基于DAVP 的大滲透深度，作者批量打印了多種2D和3D水凝膠結構，證實了該技術的材料通用性。4、驗證了DAVP可用于穿透組織打印和建設性微創醫學作者將DAVP應用于高速、高分辨率的穿透組織制造和微創醫學，使用共焦-DAVP成功且快速地打印了復雜的模型。作者報告了相變粘彈性聲波墨水，它同時允許深層聲波滲透、低聲流和快速聲熱誘導自由基聚合，共同實現深層滲透聲波體積印刷（DAVP）。DAVP利用粘彈性聲波墨水中FUS焦點的聲熱效應實現材料快速凝固，無需構建平臺，FUS波以高達數十兆帕的壓力將深度穿透的聲能傳送到距離長達64毫米的局部區域，能夠精確地按立體打印幾何形狀復雜的材料，甚至可以通過不透明和光學散射的材料進行打印。
作者精心設計的多組分粘彈性聲墨水應抑制聲流，同時促進快速聲熱效應，從而觸發乙烯基前體的快速空間自由基聚合，以實現深滲透制造方案。作者配置了聲波墨水驗證了所提出的概念，解決了聲波穿透深度和聲波流之間長期存在的難題。盡管存在自增強聲衰減，聲波在37°C下仍然可以在超聲波墨水中實現40毫米的大穿透深度。自增強聲波墨水在90%的高占空比下實現了顯著的聲熱效應。利用自增強聲熱效應引發乙烯基低聚物的自由基聚合以實現快速凝膠化，同時實現了長保質期（tgel=167 天，4°C）和按需快速固化（tgel=1.9 s，80°C）。
作者開發了一款3D FUS打印機，首先研究了DAVP的單點打印分辨率。由于反應速率提高，通過增加APS濃度，超聲波墨水的Tc可以很容易地從67°C降低至62°C。此外，增加PEGDA濃度會增加聲波墨水的表觀Tc。通過在不同的打印設置下連續掃描來進一步研究DAVP的打印分辨率。由于墨水內的熱擴散，在掃描FUS焦點的前面立即形成了一個不斷擴大的加熱區域，這也通過聲熱模型得到了證實。作者還研究了固化尺寸對幾個關鍵參數的依賴性，結果表明提高掃描速度可以提高打印分辨率。通過優化FUS掃描速度、頻率和功率，可以靈活調整DAVP的打印分辨率。
深度滲透是 DAVP 相對于傳統光基3D打印的主要優勢。在1 mm s?1的軸向掃描速度和3.41 MHz FUS下，染色超聲波墨水在26秒內實現了24 mm的大固化深度?；贒AVP 的大滲透深度，作者批量打印了具有不同尺寸和幾何復雜性的不透明2D和3D水凝膠結構，包括具有尖角和螺旋的字母和晶格以及具有光滑表面和過渡的容器等。此外，作者還證實了基于PEGDA和GelMA的聲波墨水及其關鍵成分均表現出零至低的細胞毒性，基于GelMA的水凝膠能夠使不同類型的接種后哺乳動物細胞具有高活力和健康的附著和增殖，表明其良好的生物活性。
圖 DAVP性能和材料通用性
作為概念驗證，作者將DAVP應用于高速、高分辨率的穿透組織制造和微創醫學。首先說明了使用不同類型和尺寸的軟組織進行離體組織打印，打印了各種離體豬組織模型。還演示了DAVP輔助左心耳閉合的概念驗證，治療后固化的水凝膠完全閉塞左心耳并與組織壁良好粘合，可以承受模仿心臟跳動的合理扭曲。作者進一步探索了DAVP技術在組織重建和再生方面的潛力，超聲波成像證實，納米復合材料可以重建骨骼，與天然部位無縫粘合，而不影響周圍組織。此外，作者還證明了DAVP可用于治療藥物輸送。為了降低組織過熱的風險并提高未來體內打印效率，開發了一種共焦DAVP系統，利用兩個聲學焦點的能量疊加，共焦-DAVP可以使用每個FUS換能器以大約一半的輸出能量來實現組合焦點中的固化溫度閾值，軸向打印分辨率提高到0.7毫米，打印速度達到8mm s?1。
圖 DAVP用于通過組織打印和微創治療進行概念驗證
展望
總之，利用 US波的深度穿透能力、低聲流和粘彈性自增強聲波墨水的快速聲聚合，本工作開發了一種DAVP技術，可以在沒有構建平臺的情況下以高打印保真度和分辨率批量構建結構?；跓岱e累的固化機制實現了毫米級的各向異性打印分辨率，通過優化FUS頻率和掃描速度的打印參數以及使用共焦雙換能器配置可以進一步提高分辨率。自增強聲波墨水設計可以推廣到不同的系統，極大地擴展了聲學打印技術的材料庫。 XIAO KUANG, et al. Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing. Science, 2023, 382(6675):1148-1155.DOI: 10.1126/science.adi1563https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1563
