建設與破壞—生物體內3D列印技術的過去與未來

文/格洛克·海因萊茵博士 圖/艾克絲·愛 發表於2025/5/19

在科幻小說中，人體宛如一座精密的工廠，修復損傷或消滅疾病只需按下「列印」鍵。 如今，這一幻想正逐步成為現實。

2025年，加州理工學院（Caltech）的科學家在《Science》期刊中揭開了一項革命性技術的面紗：深部組織活體超聲列印（Deep Tissue In Vivo Sound Printing, DISP）。這項技術利用超聲波，將可注射的生物墨水（bioink）在體內精準固化，無需手術即可「列印」組織結構或藥物儲存庫。它不僅能「建設」新組織，還能「破壞」頑疾如癌症，為再生醫學和精準治療開闢了新篇章。本文將帶你穿越這項技術的過去，剖析其原理與功能，並展望它如何重塑癌症治療的未來。

從科幻到現實：3D列印的生物進化

3D列印技術誕生於1980年代，最初用於製造塑膠零件，後來進軍金屬、陶瓷，甚至巧克力！進入21世紀，生物學家與工程師攜手，將這項技術引入醫療領域，催生了生物列印（bioprinting）。早期的生物列印在體外「列印」組織，如皮膚、軟骨，甚至微型肝臟，這些組織隨後通過手術植入人體。然而，外科手術的風險—瘢痕、感染、漫長的癒合時間—讓科學家開始夢想：

能否直接在體內列印，省去手術的麻煩？

2010年代，研究者開始探索體內列印的可能性。光固化技術（使用紫外光固化墨水）率先登場，但其淺層穿透力限制了應用。隨後，奈米技術和微流控系統嘗試將生物材料輸送到體內，但精確性和安全性仍是瓶頸。直到2025年，Caltech的DISP技術以超聲波為「畫筆」，將體內列印推向新高度。這項技術宛如一位隱形建築師，在人體深處精雕細琢，建設組織、破壞病灶。

超聲波的魔法：DISP技術的原理

DISP技術的核心在於聚焦超聲波與生物墨水的巧妙配合。想像一下，你正在用聲波指揮一支微型建築隊，在人體內搭建結構。這是如何實現的？

生物墨水：液態的建築材料

生物墨水是一種液態混合物，包含以下關鍵成分：

1. 聚合物單體：如海藻酸鹽（從海藻提取）和明膠（來自膠原蛋白），它們形成凝膠的骨架，提供結構支撐。

2. 交聯劑：如鈣離子，儲存在低溫敏感脂質體中，負責將液態墨水固化為凝膠。

3. 成像對比劑：如氣泡囊，增強超聲成像，讓科學家實時監控墨水位置。

4. 功能性載荷：如抗癌藥物（多柔比星）或導電材料（奈米碳管），賦予墨水治療或監測功能。

5. 溶劑與添加劑：如磷酸鹽緩衝液，確保墨水在體溫下流暢可注射。

這支「液態大軍」在37°C下保持流動，通過細針注射到目標部位，如肌肉、內臟，甚至腫瘤周圍。墨水的生物相容性極高，未固化的部分可被身體安全代謝，宛如一位自律的建築師，完工後清理現場。

超聲波：精準的指揮棒

聚焦超聲波是DISP的「魔法棒」。它能穿透組織達10釐米以上，聚焦於150微米的小焦點（約頭髮粗細）。當超聲波照射到墨水時，局部溫升（僅3–5°C）觸發脂質體破裂，釋放交聯劑，瞬間將液態墨水固化為凝膠。這個過程不僅精準，還能實時監控—氣泡囊在超聲成像中閃爍，指引科學家確認列印位置。

工作流程：從注射到固化

1.注射：醫生用細針將墨水注入目標區域，超聲成像導引確保初步定位。

2.擴散：墨水在組織間隙流動，填滿微小空隙，宛如水墨畫渲染。

3.固化：聚焦超聲波精準「點亮」目標區域，固化墨水形成凝膠結構，速度達40毫米/秒。

4.功能釋放：若墨水含藥物或傳感器，超聲波可按需觸發釋放，實現動態治療。

這項技術無需切開皮膚，卻能在深部組織中「建設」修復結構或「破壞」病變細胞，堪稱微創醫學的傑作。

多才多藝的功能：建設與破壞的雙重使命

DISP技術的魅力在於其多功能性，宛如一把瑞士軍刀，既能修復損傷，又能對抗疾病。以下是它的主要應用：

1.組織修復：重建人體藍圖

人體許多組織（如軟骨、心肌）再生能力有限。DISP技術可列印含細胞的凝膠，促進損傷修復。例如，兔子實驗中，墨水在腿部肌肉固化為軟組織結構，未來可能修復磨損的膝關節軟骨或乳腺癌切除後的乳房組織。雖然目前僅列印簡單結構，但科學家預期，加入幹細胞後，DISP可「建設」更複雜的功能性組織。

2.藥物傳遞：精準打擊病灶

DISP的墨水可作為藥物儲存庫，包覆病變區域並緩慢釋放藥物。小鼠實驗中，含多柔比星的墨水包圍膀胱腫瘤，超聲波控制藥物釋放，顯著延長抗癌效果。這種局部傳遞減少了全身化療的毒性，宛如為腫瘤量身定制的「毒藥膠囊」。

3.生物感測：監測健康脈動

墨水可嵌入導電材料，列印成生物電子凝膠，監測生理信號。動物實驗中，這類凝膠成功記錄心電圖，未來或許能即時追蹤心臟或神經活動，成為「人體內的智慧手環」。

4.傷口癒合：隱形修補匠

DISP可列印生物黏合劑，密封內部傷口，促進癒合。這種非侵入性修補對深部組織（如內臟）尤為珍貴，免去了傳統手術的創傷。

癌症治療的未來：破壞中的希望

癌症，這個人類健康的「頑敵」，可能在DISP技術面前迎來新挑戰。該技術的精準性和多功能性為癌症治療帶來了三大潛力：

1.包覆與隔離：困住癌細胞

DISP的生物墨水能精準包覆腫瘤，形成凝膠屏障，限制癌細胞擴散。小鼠實驗證明，墨水可包圍膀胱腫瘤，釋放化療藥物，顯著抑制腫瘤生長。這種「圍城戰術」不僅限製轉移，還能提高藥物在腫瘤部位的濃度，減少對正常組織的傷害。

2.精準藥物傳遞：定點爆破

傳統化療如「地毯式轟炸」，傷敵一千，自損八百。DISP的藥物儲存庫則像「導航飛彈」，超聲波控制藥物釋放，實現定點打擊。未來，墨水可攜帶多種藥物（如免疫佐劑、抗血管生成劑），針對不同腫瘤類型量身定制。

3.基因編輯的遠景：改寫癌細胞命運

雖然尚未實現，但DISP的墨水有潛力攜帶基因編輯工具（如CRISPR-Cas9），改寫癌細胞的基因組合。例如，敲除致癌基因（如KRAS）或修復抑癌基因（如p53），誘導癌細胞凋亡。挑戰在於如何高效傳遞大型基因編輯組分並避免脫靶效應，但隨著奈米技術和AI的進步，這一設想並非遙不可及。想像一下，墨水包覆腫瘤後釋放CRISPR，猶如在癌細胞內植入「自毀程式」，這將是癌症治療的革命性突破。

挑戰與展望：從實驗室到病床

DISP技術雖然令人振奮，但距離臨床應用仍有漫漫長路。以下是其主要挑戰與未來方向：

挑戰

1.技術局限：目前僅在小鼠和兔子中測試，列印的結構相對簡單（如凝膠、藥物儲存庫）。複雜器官（如心臟、肝臟）的列印仍需數年突破。

2.人體複雜性：人體組織的異質性、腫瘤的微環境以及器官運動（如心臟跳動）可能干擾墨水定位和固化。

3.安全性：長期試驗需驗證墨水的降解速率、免疫反應以及基因編輯的脫靶風險。

4.監管與倫理：體內列印和基因編輯涉及嚴格的監管（如FDA審批）和倫理考量，需平衡創新與安全。

展望

1.AI的加持：Caltech團隊計劃利用AI分析超聲影像和組織特性，實現動態追蹤和精準列印，特別是在移動器官中。

2.多模態整合：未來墨水可同時攜帶藥物、基因編輯工具和免疫佐劑，打造「一站式」治療平台。

3.個人化醫療：結合患者基因圖譜和影像數據，定制墨水配方，實現精準抗癌。

4.臨床轉化：若大型動物試驗成功，DISP可能在10–15年內進入早期人體試驗，優先應用於局部腫瘤或組織修復。

結語：建設未來的破壞者

DISP技術猶如一位雙面建築師，在人體內「建設」健康組織，同時「破壞」疾病根源。從修復軟骨到包覆腫瘤，從藥物傳遞到基因編輯的遠景，它為再生醫學和癌症治療繪製了令人振奮的藍圖。 雖然挑戰尚存，但這項技術的每一步突破都在提醒我們：

人類的創造力正將科幻變為現實。或許不久的將來，當醫生按下超聲波的「列印鍵」，癌症將不再是絕症，而是一場可被改寫的戰役。

參考文獻

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