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研究背景
三维(3D)打印因其能够直接制造几何复杂结构的原型、高性能材料、多材料零件、柔性电子产品、医疗器械和工程组织而被广泛研究。目前，已经开发出各种印刷方式，新兴印刷技术与新型光固化油墨的结合已被开发出来，以提高印刷速度、印刷分辨率和打印输出功能。无需构建平台或墨水更新步骤即可创建 3D结构的体积打印可以显着提高打印速度和表面质量。
关键问题
现有的体积印刷技术利用光在光学透明墨水中实现选择性光聚合，然而，油墨本身的光衰减、功能添加剂、已固化部件的存在对基于光的体积印刷的材料选择和构建尺寸施加了限制。尽管红外(IR)光可用于将光穿透力提高到几毫米，但将光深入到光学散射介质（例如生物组织）中仍然具有技术挑战性。基于光的立体打印在深度渗透数字制造方案以及微创制造场景中的应用具有内在的局限性。 超声波比光的穿透力高100倍以上，有望沉积能量以引发深度聚合，但需要一个构建平台来实现超声打印，并且只能打印相对简单的几何形状，因为高声压产生的强烈声流扰乱了焦点区域的局部墨水。
新思路
有鉴于此，哈佛医学院Yu Shrike Zhang和杜克大学Junjie Yao等人报告了一种用于深穿透声学立体印刷（DAVP）的自增强声波墨水（或声波墨水）设计和相应的聚焦超声书写技术。作者使用实验和声学建模来研究频率和扫描速率相关的声学打印行为。DAVP实现了低声流、快速声热聚合和大打印深度的关键特征，能够打印各种形状的体积水凝胶和纳米复合材料。DAVP 还允许在生物组织中进行厘米深度的打印，为微创医学铺平了道路。作者提出并验证了声波墨水的设计，证实了概念的可行性和可推广性，表明利用自增强声热效应可实现了长保质期和按需快速固化。作者开发了一款3D FUS打印机，表明通过优化FUS扫描速度、频率和功率，可以灵活调整DAVP的打印分辨率。3、证实了基于DAVP可以打印多种体积结构且具有材料通用性基于DAVP 的大渗透深度，作者批量打印了多种2D和3D水凝胶结构，证实了该技术的材料通用性。4、验证了DAVP可用于穿透组织打印和建设性微创医学作者将DAVP应用于高速、高分辨率的穿透组织制造和微创医学，使用共焦-DAVP成功且快速地打印了复杂的模型。作者报告了相变粘弹性声波墨水，它同时允许深层声波渗透、低声流和快速声热诱导自由基聚合，共同实现深层渗透声波体积印刷（DAVP）。DAVP利用粘弹性声波墨水中FUS焦点的声热效应实现材料快速凝固，无需构建平台，FUS波以高达数十兆帕的压力将深度穿透的声能传送到距离长达64毫米的局部区域，能够精确地按立体打印几何形状复杂的材料，甚至可以通过不透明和光学散射的材料进行打印。
作者精心设计的多组分粘弹性声墨水应抑制声流，同时促进快速声热效应，从而触发乙烯基前体的快速空间自由基聚合，以实现深渗透制造方案。作者配置了声波墨水验证了所提出的概念，解决了声波穿透深度和声波流之间长期存在的难题。尽管存在自增强声衰减，声波在37°C下仍然可以在超声波墨水中实现40毫米的大穿透深度。自增强声波墨水在90%的高占空比下实现了显着的声热效应。利用自增强声热效应引发乙烯基低聚物的自由基聚合以实现快速凝胶化，同时实现了长保质期（tgel=167 天，4°C）和按需快速固化（tgel=1.9 s，80°C）。
作者开发了一款3D FUS打印机，首先研究了DAVP的单点打印分辨率。由于反应速率提高，通过增加APS浓度，超声波墨水的Tc可以很容易地从67°C降低至62°C。此外，增加PEGDA浓度会增加声波墨水的表观Tc。通过在不同的打印设置下连续扫描来进一步研究DAVP的打印分辨率。由于墨水内的热扩散，在扫描FUS焦点的前面立即形成了一个不断扩大的加热区域，这也通过声热模型得到了证实。作者还研究了固化尺寸对几个关键参数的依赖性，结果表明提高扫描速度可以提高打印分辨率。通过优化FUS扫描速度、频率和功率，可以灵活调整DAVP的打印分辨率。
深度渗透是 DAVP 相对于传统光基3D打印的主要优势。在1 mm s−1的轴向扫描速度和3.41 MHz FUS下，染色超声波墨水在26秒内实现了24 mm的大固化深度。基于DAVP 的大渗透深度，作者批量打印了具有不同尺寸和几何复杂性的不透明2D和3D水凝胶结构，包括具有尖角和螺旋的字母和晶格以及具有光滑表面和过渡的容器等。此外，作者还证实了基于PEGDA和GelMA的声波墨水及其关键成分均表现出零至低的细胞毒性，基于GelMA的水凝胶能够使不同类型的接种后哺乳动物细胞具有高活力和健康的附着和增殖，表明其良好的生物活性。
图 DAVP性能和材料通用性
作为概念验证，作者将DAVP应用于高速、高分辨率的穿透组织制造和微创医学。首先说明了使用不同类型和尺寸的软组织进行离体组织打印，打印了各种离体猪组织模型。还演示了DAVP辅助左心耳闭合的概念验证，治疗后固化的水凝胶完全闭塞左心耳并与组织壁良好粘合，可以承受模仿心脏跳动的合理扭曲。作者进一步探索了DAVP技术在组织重建和再生方面的潜力，超声波成像证实，纳米复合材料可以重建骨骼，与天然部位无缝粘合，而不影响周围组织。此外，作者还证明了DAVP可用于治疗药物输送。为了降低组织过热的风险并提高未来体内打印效率，开发了一种共焦DAVP系统，利用两个声学焦点的能量叠加，共焦-DAVP可以使用每个FUS换能器以大约一半的输出能量来实现组合焦点中的固化温度阈值，轴向打印分辨率提高到0.7毫米，打印速度达到8mm s−1。
图 DAVP用于通过组织打印和微创治疗进行概念验证
展望
总之，利用 US波的深度穿透能力、低声流和粘弹性自增强声波墨水的快速声聚合，本工作开发了一种DAVP技术，可以在没有构建平台的情况下以高打印保真度和分辨率批量构建结构。基于热积累的固化机制实现了毫米级的各向异性打印分辨率，通过优化FUS频率和扫描速度的打印参数以及使用共焦双换能器配置可以进一步提高分辨率。自增强声波墨水设计可以推广到不同的系统，极大地扩展了声学打印技术的材料库。 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
