Ο υπερηχητικός 3D εκτυπωτής θα μπορούσε μια μέρα να επισκευάσει όργανα στο σώμα χωρίς χειρουργική επέμβαση

Ένα παχουλό κομμάτι από φρέσκο ​​μπούτι κοτόπουλου στη φάρμα ακουμπούσε σε μια παρθένα επιφάνεια στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ. Δέρμα και κόκαλο μέσα, κόπηκε με ακρίβεια για να σπάσει μόλις το κόκαλο.

Ένας βραχίονας ρομπότ παρέσυρε, σάρωνε το σπάσιμο και έγχυσε προσεκτικά ένα υγρό κοκτέιλ συστατικών στη ρωγμή, συμπεριλαμβανομένων μερικών που είχαν απομονωθεί από φύκια. Με αρκετούς παλμούς υπερήχων, το υγρό σκληρύνθηκε σε υλικό που μοιάζει με κόκκαλο και σφράγισε το κάταγμα.

Αυτό δεν ήταν ένα πρωτοποριακό δείπνο. Αντίθετα, ήταν ένα καινοτόμο πείραμα για να δούμε αν ο υπέρηχος μπορεί μια μέρα να χρησιμοποιηθεί για την τρισδιάστατη εκτύπωση εμφυτευμάτων απευθείας μέσα στο σώμα μας.

Με επικεφαλής τον Δρ. Yu Shrike Zhang στο Brigham and Women's Hospital και την Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, πρόσφατη μελέτη συνδύασε τις μοναδικές ιδιότητες του υπερήχου και της τρισδιάστατης εκτύπωσης για να επιδιορθώσει τον κατεστραμμένο ιστό. Στο επίκεντρο της τεχνολογίας βρίσκεται ένα μείγμα χημικών ουσιών που πηκτωματοποιούνται ως απόκριση στα ηχητικά κύματα – ένα παρασκεύασμα που ονομάζεται «ηχομελάνη».

Σε μια δοκιμή, η ομάδα 3D εκτύπωσε ένα καρτουνίστικο σχήμα οστού μέσα σε ένα μεγάλο κομμάτι απομονωμένης χοιρινής κοιλιάς, με τον υπέρηχο να διεισδύει εύκολα σε στρώματα λιπώδους δέρματος και ιστού. Η τεχνολογία έφτιαξε επίσης δομές σαν κυψέλη μέσα σε απομονωμένα συκώτια χοιρινού και σχήμα καρδιάς στα νεφρά.

Μπορεί να ακούγεται μακάβριο, αλλά ο στόχος δεν είναι η τρισδιάστατη εκτύπωση emojis μέσα σε ζωντανό ιστό. Αντίθετα, οι γιατροί μπορεί μια μέρα να χρησιμοποιήσουν υπερήχους και ηχομελάνη για να επιδιορθώσουν άμεσα τα κατεστραμμένα όργανα μέσα στο σώμα ως εναλλακτική λύση στην επεμβατική χειρουργική επέμβαση.

Ως απόδειξη της ιδέας, η ομάδα χρησιμοποίησε sono-ink για να επισκευάσει μια σπασμένη περιοχή μιας απομονωμένης καρδιάς κατσίκας. Μετά από μερικές εκρήξεις υπερήχων, το έμπλαστρο που προέκυψε έγινε πηκτή και έδεσε άψογα με τον περιβάλλοντα ιστό της καρδιάς, και έγινε ουσιαστικά ένας βιοσυμβατός, εκτατός επίδεσμος.

Μια άλλη δοκιμή φόρτωσε το sono-ink με ένα φάρμακο χημειοθεραπείας και ενέθηκε το παρασκεύασμα σε ένα κατεστραμμένο ήπαρ. Μέσα σε λίγα λεπτά, το μελάνι απελευθέρωσε το φάρμακο σε τραυματισμένες περιοχές, ενώ γλίτωσε τα περισσότερα από τα υγιή γύρω κύτταρα.

Η τεχνολογία προσφέρει έναν τρόπο μετατροπής των ανοιχτών επεμβάσεων σε λιγότερο επεμβατικές θεραπείες, Έγραψε Οι Δρ. Yuxing Yao και Mikhail Shapiro στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, οι οποίοι δεν συμμετείχαν στη μελέτη. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την εκτύπωση διεπαφών σώματος-μηχανής που ανταποκρίνονται στον υπέρηχο, για την κατασκευή εύκαμπτων ηλεκτρονικών για καρδιακούς τραυματισμούς ή για αποτελεσματική παροχή αντικαρκινικών φαρμάκων κατευθείαν στην πηγή μετά την επέμβαση για περιορισμό των παρενεργειών.

«Απέχουμε ακόμη πολύ από το να φέρουμε αυτό το εργαλείο στην κλινική, αλλά αυτές οι δοκιμές επιβεβαίωσαν ξανά τις δυνατότητες αυτής της τεχνολογίας». είπε Ζανγκ. «Είμαστε πολύ ενθουσιασμένοι που βλέπουμε πού μπορεί να φτάσει από εδώ».

Από το φως στον ήχο

Χάρη στην ευελιξία της, η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει αιχμαλωτίσει τη φαντασία των βιομηχανικών όταν πρόκειται για κατασκευή τεχνητών βιολογικών μερών-για παράδειγμα, στεντ για απειλητική για τη ζωή καρδιοπάθεια.

Η διαδικασία είναι συνήθως επαναληπτική. Ένας τρισδιάστατος εκτυπωτής inkjet - παρόμοιος με έναν εκτυπωτή γραφείου - ψεκάζει ένα λεπτό στρώμα και το "θεραπεύει" με φως. Αυτό στερεοποιεί το υγρό μελάνι και στη συνέχεια, στρώμα προς στρώμα, ο εκτυπωτής δημιουργεί μια ολόκληρη δομή. Ωστόσο, το φως μπορεί να φωτίσει μόνο την επιφάνεια πολλών υλικών, καθιστώντας αδύνατη τη δημιουργία μιας πλήρως εκτυπωμένης τρισδιάστατης δομής με μία έκρηξη.

Η νέα μελέτη στράφηκε στην ογκομετρική εκτύπωση, όπου ένας εκτυπωτής προβάλλει το φως σε έναν όγκο υγρής ρητίνης, στερεοποιώντας τη ρητίνη στη δομή του αντικειμένου - και voilà, το αντικείμενο κατασκευάζεται ολόκληρο.

Η διαδικασία είναι πολύ πιο γρήγορη και παράγει αντικείμενα με πιο λείες επιφάνειες από την παραδοσιακή τρισδιάστατη εκτύπωση. Αλλά περιορίζεται από το πόσο μακριά μπορεί να περάσει το φως μέσα από το μελάνι και το περιβάλλον υλικό - για παράδειγμα, το δέρμα, τους μυς και άλλους ιστούς.

Εδώ μπαίνει ο υπέρηχος. Πιο γνωστό για τη μητρική φροντίδα, τα χαμηλά επίπεδα υπερήχων διεισδύουν εύκολα σε αδιαφανή στρώματα - όπως το δέρμα ή οι μύες - χωρίς να βλάψουν. Ονομάζεται εστιασμένος υπέρηχος, οι ερευνητές εξερευνούν την τεχνολογία για την παρακολούθηση και την τόνωση του εγκεφάλου και άλλων ιστών.

Έχει μειονεκτήματα. Τα ηχητικά κύματα θολώνουν όταν ταξιδεύουμε μέσα από υγρά, τα οποία είναι άφθονα στο σώμα μας. Χρησιμοποιημένα για τρισδιάστατη εκτύπωση δομών, τα ηχητικά κύματα θα μπορούσαν να δημιουργήσουν μια αποστροφή του αρχικού σχεδίου. Για την κατασκευή ενός ακουστικού 3D εκτυπωτή, το πρώτο βήμα ήταν ο επανασχεδιασμός του μελανιού.

Μια ηχητική συνταγή

Η ομάδα πειραματίστηκε αρχικά με σχέδια μελάνης που θεραπεύονται με υπερήχους. Η συνταγή που κατέληξαν είναι μια σούπα από μόρια. Μερικά στερεοποιούνται όταν θερμαίνονται. άλλοι απορροφούν ηχητικά κύματα.

Το sono-ink μετατρέπεται σε gel μέσα σε λίγα λεπτά μετά τους παλμούς υπερήχων.

Η διαδικασία είναι αυτοκινούμενη, εξήγησαν οι Yao και Shapiro. Ο υπέρηχος πυροδοτεί μια χημική αντίδραση που παράγει θερμότητα που απορροφάται στο τζελ και επιταχύνει τον κύκλο. Επειδή η πηγή υπερήχων ελέγχεται από έναν ρομποτικό βραχίονα, είναι δυνατό να εστιάσετε τα ηχητικά κύματα σε ανάλυση ενός χιλιοστού—λίγο πιο παχύ από τη μέση πιστωτική σας κάρτα.

Η ομάδα δοκίμασε πολλαπλές συνταγές sono-ink και τρισδιάστατες εκτυπωμένες απλές δομές, όπως ένα πολύχρωμο εργαλείο τριών τεμαχίων και δομές που λάμπουν στο σκοτάδι που μοιάζουν με αιμοφόρα αγγεία. Αυτό βοήθησε την ομάδα να διερευνήσει τα όρια του συστήματος και να διερευνήσει πιθανές χρήσεις: ένα φθορίζον 3D-τυπωμένο εμφύτευμα, για παράδειγμα, θα μπορούσε να είναι ευκολότερο να εντοπιστεί μέσα στο σώμα.

Ηχητική επιτυχία

Στη συνέχεια η ομάδα στράφηκε σε μεμονωμένα όργανα.

Σε μια δοκιμή, έκαναν ένεση sono-μελάνης σε μια κατεστραμμένη καρδιά κατσίκας. Μια παρόμοια κατάσταση στους ανθρώπους μπορεί να οδηγήσει σε θανατηφόρους θρόμβους αίματος και καρδιακές προσβολές. Η κοινή θεραπεία είναι η χειρουργική επέμβαση ανοιχτής καρδιάς.

Εδώ, η ομάδα έγχυσε sono-μελάνη απευθείας στην καρδιά της κατσίκας μέσω των αιμοφόρων αγγείων. Με παλμούς υπερήχων με ακρίβεια εστιασμένους, το μελάνι πηκτωματοποιείται για να προστατεύει την κατεστραμμένη περιοχή —χωρίς να βλάπτει τα γειτονικά μέρη— και συνδέεται με τους ιστούς της ίδιας της καρδιάς.

Σε μια άλλη δοκιμή, έγχυσαν το μελάνι σε ένα κάταγμα οστού ποδιού κοτόπουλου και ανακατασκεύασαν το οστό «με απρόσκοπτη σύνδεση στα εγγενή μέρη», έγραψαν οι συγγραφείς.

Σε ένα τρίτο τεστ, ανέμιξαν δοξορουβικίνη, ένα φάρμακο χημειοθεραπείας που χρησιμοποιείται συχνά στον καρκίνο του μαστού, στο sono-ink και το ενέθηκαν σε κατεστραμμένα μέρη ενός χοιρινού ήπατος. Με εκρήξεις υπερήχων, το μελάνι κατακάθισε στις κατεστραμμένες περιοχές και σταδιακά απελευθέρωσε το φάρμακο στο ήπαρ την επόμενη εβδομάδα. Η ομάδα πιστεύει ότι αυτή η μέθοδος θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση της θεραπείας του καρκίνου μετά τη χειρουργική αφαίρεση όγκων, εξήγησαν.

Το σύστημα είναι μόνο μια αρχή. Το Sono-ink δεν έχει ακόμη δοκιμαστεί σε ζωντανό σώμα και θα μπορούσε να προκαλέσει τοξικές επιδράσεις. Και ενώ ο υπέρηχος είναι γενικά ασφαλής, η διέγερση μπορεί να αυξήσει την πίεση των ηχητικών κυμάτων και να θερμάνει τους ιστούς έως και τους 158 βαθμούς Φαρενάιτ. Για τον Yao και τον Shapiro, αυτές οι προκλήσεις μπορούν να καθοδηγήσουν την τεχνολογία.

Η δυνατότητα γρήγορης εκτύπωσης μαλακών τρισδιάστατων υλικών ανοίγει την πόρτα σε νέες διεπαφές αμαξώματος-μηχανής. Τα έμπλαστρα οργάνων με ενσωματωμένα ηλεκτρονικά θα μπορούσαν να υποστηρίξουν τη μακροχρόνια φροντίδα για άτομα με χρόνια καρδιακή νόσο. Ο υπέρηχος θα μπορούσε επίσης να προκαλέσει την αναγέννηση των ιστών σε βαθύτερα μέρη του σώματος χωρίς επεμβατική χειρουργική επέμβαση.

Πέρα από τις βιοϊατρικές εφαρμογές, το sono-ink θα μπορούσε ακόμη και να κάνει θραύση στο δικό μας καθημερινός κόσμος. Τα 3D-printed παπούτσια, για παράδειγμα, έχουν ήδη μπει στην αγορά. Είναι πιθανό «τα παπούτσια τρεξίματος του μέλλοντος θα μπορούσαν να τυπωθούν με την ίδια ακουστική μέθοδο που επισκευάζει τα οστά», έγραψαν οι Yao και Shapiro.

Πίστωση εικόνας: Alex Sanchez, Πανεπιστήμιο Duke; Junjie Yao, Πανεπιστήμιο Duke; Y. Shrike Zhang, Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/12/11/ultrasonic-3d-printer-could-one-day-help-repair-organs-in-the-body-without-surgery/