Ultralyds 3D-printer kunne en dag reparere organer i kroppen uden kirurgi

Ultralyds 3D-printer kunne en dag reparere organer i kroppen uden kirurgi

Tidsstempel: 11. december 2023 kl. 5:35
Ultrasonic 3D Printer Could One Day Repair Organs in the Body Without Surgery PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Et fyldigt stykke gårdfrisk kyllingelår hvilede på en uberørt overflade på Harvard Medical School. Hud på og ben i, det var præcist skåret i skiver for knap at knække knoglen.

En robotarm svingede over, scannede bruddet og sprøjtede forsigtigt en flydende cocktail af ingredienser ind i revnen, inklusive nogle isoleret fra tang. Med adskillige ultralydsimpulser hærdede væsken til et knoglelignende materiale og forseglede bruddet.

Dette var ikke et avantgarde-middagsshow. Det var snarere et innovativt eksperiment for at se, om ultralyd en dag kan bruges til at 3D-printe implantater direkte inde i vores krop.

Ledet af Dr. Yu Shrike Zhang på Brigham and Women's Hospital og Harvard Medical School, en nylig undersøgelse kombinerede de unikke egenskaber ved ultralyd og 3D-print for at reparere beskadiget væv. Kernen i teknologien er en blanding af kemikalier, der geler som reaktion på lydbølger - et sammenkog kaldet "sono-ink".

I en test printede holdet 3D en tegneserieagtig knogleform inde i et kraftigt stykke isoleret svinemave, hvor ultralyden let trængte ind i lag af fedtet hud og væv. Teknologien lavede også bikubelignende strukturer inde i isolerede svinelever og en hjerteform i nyrerne.

Det lyder måske makabert, men målet er ikke at 3D-printe emojis inde i levende væv. I stedet kan læger en dag bruge ultralyd og sono-blæk til direkte at reparere beskadigede organer inde i kroppen som et alternativ til invasiv kirurgi.

Som et bevis på konceptet brugte holdet sono-ink til at reparere et ødelagt område af et isoleret gedehjerte. Efter et par ultralydsprængninger dannede det resulterende plaster gel og trådte sømløst ind i det omgivende hjertevæv, og blev i det væsentlige en biokompatibel, strækbar bandage.

En anden test fyldte sono-blæk med et kemoterapilægemiddel og sprøjtede sammenkogten ind i en beskadiget lever. Inden for få minutter frigav blækket stoffet til skadede områder, mens det skånede de fleste af de sunde omgivende celler.

Teknologien tilbyder en måde at omdanne åbne operationer til mindre invasive behandlinger, skrev Drs. Yuxing Yao og Mikhail Shapiro ved California Institute of Technology, som ikke var involveret i undersøgelsen. Det kan også bruges til at udskrive krop-maskine-grænseflader, der reagerer på ultralyd, lave fleksibel elektronik til hjerteskader eller effektivt levere anti-cancer-lægemidler direkte til kilden efter operationen for at begrænse bivirkninger.

"Vi er stadig langt fra at bringe dette værktøj ind i klinikken, men disse tests bekræftede potentialet i denne teknologi," sagde Zhang. "Vi er meget spændte på at se, hvor det kan gå herfra."

Fra lys til lyd

Takket være dens alsidighed har 3D-print fanget bioingeniørers fantasi, når det kommer til bygge kunstige biologiske dele-for eksempel, stenter for livstruende hjertesygdomme.

Processen er normalt iterativ. En inkjet 3D-printer - svarende til en kontorprinter - sprøjter et tyndt lag ud og "hærder" det med lys. Dette størkner det flydende blæk og derefter, lag for lag, bygger printeren en hel struktur. Alligevel kan lys kun oplyse overfladen af ​​mange materialer, hvilket gør det umuligt at generere en fuldt printet 3D-struktur med et enkelt tryk.

Den nye undersøgelse vendte sig mod volumetrisk udskrivning, hvor en printer projicerer lys ind i et volumen flydende harpiks og størkner harpiksen i objektets struktur - og voilà, objektet er bygget hel.

Processen er meget hurtigere og producerer objekter med glattere overflader end traditionel 3D-print. Men det er begrænset af, hvor langt lys kan skinne gennem blækket og det omgivende materiale - for eksempel hud, muskler og andet væv.

Her er hvor ultralyd kommer ind i billedet. Bedst kendt for mødrepleje, lave niveauer af ultralyd trænger let igennem uigennemsigtige lag – såsom hud eller muskler – uden at skade. Kaldet fokuseret ultralyd, forskere udforsker teknologien til at overvåge og stimulere hjernen og andre væv.

Det har ulemper. Lydbølger sløres, når de rejser gennem væsker, som er rigelige i vores kroppe. Vant til at 3D-printe strukturer kunne lydbølgerne generere en vederstyggelighed af det originale design. For at bygge en akustisk 3D-printer var det første skridt at redesigne blækket.

En lydopskrift

Holdet eksperimenterede først med blækdesign, der hærder med ultralyd. Opskriften de fandt på er en suppe af molekyler. Nogle størkner ved opvarmning; andre absorberer lydbølger.

Sono-blækket forvandles til en gel på få minutter efter ultralydsimpulser.

Processen er selvkørende, forklarede Yao og Shapiro. Ultralyd udløser en kemisk reaktion, der genererer varme, som absorberes i gelen og fremskynder cyklussen. Fordi ultralydskilden styres af en robotarm, er det muligt at fokusere lydbølgerne til en opløsning på en millimeter - en smule tykkere end dit gennemsnitlige kreditkort.

Holdet testede flere sono-ink-opskrifter og 3D-printede enkle strukturer, som et flerfarvet tredelt gear og glød-i-mørke-strukturer, der ligner blodkar. Dette hjalp holdet med at sondere systemets grænser og udforske potentielle anvendelser: Et fluorescerende 3D-printet implantat kunne for eksempel være lettere at spore inde i kroppen.

Lydsucces

Holdet henvendte sig derefter til isolerede organer.

I en test sprøjtede de sono-blæk ind i et beskadiget gedehjerte. En lignende tilstand hos mennesker kan føre til dødelige blodpropper og hjerteanfald. Den almindelige behandling er åben hjertekirurgi.

Her infunderede holdet sono-blæk direkte i gedehjertet gennem blodkar. Med præcist fokuserede ultralydsimpulser blev blækket geleret for at beskytte det beskadigede område - uden at skade tilstødende dele - og forbundet med hjertets eget væv.

I en anden test sprøjtede de blækket ind i et knoglebrud af kyllingelår og rekonstruerede knoglen "med sømløs binding til de oprindelige dele," skrev forfatterne.

I en tredje test blandede de doxorubicin, et kemoterapilægemiddel, der ofte bruges til brystkræft, i sono-blæk og sprøjtede det ind i beskadigede dele af en svinelever. Med eksplosioner af ultralyd satte blækket sig i de beskadigede områder og frigav gradvist stoffet til leveren i løbet af den næste uge. Holdet mener, at denne metode kunne hjælpe med at forbedre kræftbehandlingen efter kirurgisk fjernelse af tumorer, forklarede de.

Systemet er kun en start. Sono-ink er endnu ikke blevet testet inde i en levende krop, og det kan udløse toksiske effekter. Og mens ultralyd generelt er sikkert, kan stimuleringen øge lydbølgetrykket og varme væv op til en meget toasty 158 grader Fahrenheit. For Yao og Shapiro kan disse udfordringer styre teknologien.

Evnen til hurtigt at printe bløde 3D-materialer åbner døren til nye krop-maskine-grænseflader. Organplastre med indlejret elektronik kunne understøtte langtidspleje for mennesker med kronisk hjertesygdom. Ultralyd kan også anspore til vævsregenerering i dybere dele af kroppen uden invasiv kirurgi.

Bortset fra biomedicinske applikationer kunne sono-ink endda gøre et sprøjt i vores hverdagens verden. 3D-printede sko er for eksempel allerede kommet på markedet. Det er muligt "fremtidens løbesko kunne printes med den samme akustiske metode, som reparerer knogler," skrev Yao og Shapiro.

Billedkredit: Alex Sanchez, Duke University; Junjie Yao, Duke University; Y. Shrike Zhang, Harvard Medical School

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub