Ultraääni 3D-tulostin voisi yhden päivän korjata kehon elimiä ilman leikkausta

Pullea pala maatilan tuoretta kanankoiraa lepäsi koskemattomalla pinnalla Harvard Medical Schoolissa. Nahka ja luu sisässä, se leikattiin tarkasti niin, että luu tuskin murtui.

Robottikäsi kääntyi yli, skannasi murtuman ja ruiskutti varovasti halkeamaan nestemäisen cocktailin ainesosista, mukaan lukien joitain merilevästä eristettyjä. Useilla ultraäänipulsseilla neste kovetti luumaiseksi materiaaliksi ja tiivisti murtuman.

Tämä ei ollut avantgarde-illallinen. Pikemminkin se oli innovatiivinen kokeilu, jossa selvitettiin, voidaanko ultraäänellä jonakin päivänä tulostaa implantteja suoraan kehomme sisään.

Tohtori Yu Shrike Zhangin johdolla Brigham and Women's Hospitalissa ja Harvard Medical Schoolissa, a Tuoreen tutkimuksen yhdisti ultraäänen ja 3D-tulostuksen ainutlaatuiset ominaisuudet vaurioituneen kudoksen korjaamiseksi. Tekniikan ytimessä on sekoitus kemikaaleja, jotka geeliytyvät vasteena ääniaalloille – keitos, jota kutsutaan nimellä "sono-muste".

Yhdessä testissä 3D-tiimi tulosti sarjakuvamaisen luun muodon isoon yksittäiseen porsaan vatsaan, jolloin ultraääni tunkeutui helposti rasvaisen ihon ja kudoksen kerroksiin. Teknologialla tehtiin myös mehiläispesämäisiä rakenteita eristettyjen sianmaksojen sisään ja sydämen muotoisia munuaisiin.

Se saattaa kuulostaa makaaberilta, mutta tavoitteena ei ole 3D-tulostaa hymiöitä elävän kudoksen sisään. Pikemminkin lääkärit voivat jonain päivänä käyttää ultraääntä ja sono-mustetta korjatakseen suoraan kehon sisällä vaurioituneita elimiä vaihtoehtona invasiiviselle leikkaukselle.

Todisteeksi konseptista tiimi käytti sono-mustetta eristetyn vuohen sydämen rikkoutuneen alueen korjaamiseen. Muutaman ultraääniräjähdyksen jälkeen tuloksena oleva laastari geeliytyi ja liittyi saumattomasti ympäröivään sydänkudokseen, jolloin siitä tuli olennaisesti bioyhteensopiva, venyvä side.

Toisessa kokeessa sono-muste ladattiin kemoterapialääkkeellä ja injektoitiin seos vaurioituneeseen maksaan. Muste vapautui lääkkeen vaurioituneille alueille muutamassa minuutissa, samalla kun suurin osa terveistä ympäröivistä soluista säästyi.

Tekniikka tarjoaa tavan muuttaa avoimet leikkaukset vähemmän invasiivisiksi hoidoksi, kirjoitti Drs. Yuxing Yao ja Mikhail Shapiro Kalifornian teknologiainstituutista, jotka eivät olleet mukana tutkimuksessa. Sillä voidaan myös tulostaa ultraääneen reagoivia kehon ja koneen välisiä rajapintoja, tehdä joustavaa elektroniikkaa sydänvammojen varalta tai toimittaa tehokkaasti syöpälääkkeitä suoraan lähteeseen leikkauksen jälkeen sivuvaikutusten rajoittamiseksi.

"Olemme vielä kaukana tämän työkalun tuomisesta klinikalle, mutta nämä testit vahvistivat tämän tekniikan potentiaalin." sanoi Zhang. "Olemme erittäin innoissamme nähdessämme, mihin se voi viedä täältä."

Valosta ääneen

Monipuolisuuden ansiosta 3D-tulostus on vanginnut bioinsinöörien mielikuvituksen keinotekoisten biologisten osien rakentaminen-esimerkiksi, stentit hengenvaarallisen sydänsairauden vuoksi.

Prosessi on yleensä iteratiivinen. Mustesuihkutulostin 3D-tulostin – samanlainen kuin toimistotulostin – ruiskuttaa ohuen kerroksen ja "kovettaa" sen valolla. Tämä kiinteyttää nestemäisen musteen ja sitten kerros kerrokselta tulostin rakentaa kokonaisen rakenteen. Silti valo voi valaista vain monien materiaalien pintaa, mikä tekee mahdottomaksi luoda täysin painettua 3D-rakennetta yhdellä räjähdyksellä.

Uusi tutkimus siirtyi volyymipainatukseen, jossa tulostin heijastaa valon nestemäiseen hartsitilavuuteen ja jähmetyttää hartsin esineen rakenteeseen – ja voilà, kohde rakennetaan kokonaisena.

Prosessi on paljon nopeampi ja tuottaa tasaisemman pinnan esineitä kuin perinteinen 3D-tulostus. Mutta sitä rajoittaa se, kuinka pitkälle valo voi loistaa musteen ja ympäröivän materiaalin – esimerkiksi ihon, lihaksen ja muiden kudosten – läpi.

Tässä ultraääni tulee käyttöön. Äidinhoidosta tunnetuin matalat ultraäänitasot läpäisevät helposti läpinäkymättömiä kerroksia, kuten ihon tai lihaksen, vahingoittamatta. Tutkijat, joita kutsutaan fokusoiduksi ultraääneksi, tutkivat tekniikkaa aivojen ja muiden kudosten tarkkailemiseksi ja stimuloimiseksi.

Siinä on haittoja. Ääniaallot hämärtyvät kulkiessaan nesteiden läpi, joita kehossamme on runsaasti. 3D-tulostusrakenteisiin käytettynä ääniaallot voivat tuottaa alkuperäisen suunnittelun kauhistuksen. Akustisen 3D-tulostimen rakentamiseksi ensimmäinen askel oli musteen suunnittelu uudelleen.

Ääniresepti

Ryhmä kokeili ensin mustemalleja, jotka kovettuvat ultraäänellä. Resepti, jonka he keksivät, on molekyylikeitto. Jotkut jähmettyvät kuumennettaessa; toiset absorboivat ääniaaltoja.

Sono-muste muuttuu geeliksi muutamassa minuutissa ultraäänipulssien jälkeen.

Prosessi on itseliikkuva, Yao ja Shapiro selittivät. Ultraääni laukaisee kemiallisen reaktion, joka tuottaa lämpöä, joka imeytyy geeliin ja nopeuttaa kiertoa. Koska ultraäänilähdettä ohjaa robottikäsi, on mahdollista kohdistaa ääniaallot yhden millimetrin tarkkuuteen – hieman paksumpaan kuin keskimääräinen luottokorttisi.

Tiimi testasi useita sono-mustereseptejä ja 3D-tulostettuja yksinkertaisia ​​rakenteita, kuten monivärisiä kolmiosaisia ​​varusteita ja verisuonia muistuttavia pimeässä hohtavia rakenteita. Tämä auttoi tiimiä tutkimaan järjestelmän rajoja ja tutkimaan mahdollisia käyttötarkoituksia: Esimerkiksi fluoresoiva 3D-tulostettu implantti voisi olla helpompi jäljittää kehon sisällä.

Ääni Menestys

Seuraavaksi ryhmä kääntyi eristettyihin elimiin.

Yhdessä testissä he ruiskuttivat sono-mustetta vaurioituneeseen vuohen sydämeen. Samanlainen tila ihmisillä voi johtaa tappaviin verihyytymiin ja sydänkohtauksiin. Yleisin hoitomuoto on avosydänleikkaus.

Täällä ryhmä infusoi sono-mustetta suoraan vuohen sydämeen verisuonten kautta. Tarkasti kohdistetuilla ultraäänipulsseilla muste geeliytyi suojaamaan vahingoittunutta aluetta vahingoittamatta viereisiä osia ja liittyi sydämen omiin kudoksiin.

Toisessa testissä he ruiskuttivat mustetta kanan jalan luunmurtumaan ja rekonstruoivat luun "saumattomasti sidoksilla alkuperäisiin osiin", kirjoittajat kirjoittivat.

Kolmannessa testissä he sekoittivat doksorubisiinia, usein rintasyövän hoidossa käytettävää kemoterapialääkettä, sono-musteeseen ja injektoivat sitä sian maksan vaurioituneisiin osiin. Ultraäänisäteilyllä muste asettui vaurioituneille alueille ja vapautui vähitellen lääkkeen maksaan seuraavan viikon aikana. Tiimi uskoo, että tämä menetelmä voi auttaa parantamaan syövän hoitoa kasvainten kirurgisen poiston jälkeen, he selittivät.

Järjestelmä on vasta alkua. Sono-mustetta ei ole vielä testattu elävässä kehossa, ja se voi laukaista myrkyllisiä vaikutuksia. Ja vaikka ultraääni on yleensä turvallista, stimulaatio voi lisätä ääniaaltojen painetta ja lämmittää kudoksia erittäin paahteiseen 158 Fahrenheit-asteeseen. Yaolle ja Shapirolle nämä haasteet voivat ohjata tekniikkaa.

Mahdollisuus tulostaa nopeasti pehmeitä 3D-materiaaleja avaa oven uusille rungon ja koneen rajapinnoille. Sisäänrakennetulla elektroniikalla varustetut elinpaikat voisivat tukea kroonista sydänsairautta sairastavien pitkäaikaishoitoa. Ultraääni voi myös edistää kudosten uusiutumista syvemmällä kehossa ilman invasiivista leikkausta.

Biolääketieteellisiä sovelluksia lukuun ottamatta sono-muste voisi jopa saada roiskeen meihin jokapäiväiseen maailmaan. Esimerkiksi 3D-painetut kengät ovat jo tulleet markkinoille. On mahdollista, että "tulevaisuuden juoksukengät voitaisiin painaa samalla akustisella menetelmällä, joka korjaa luita", kirjoittivat Yao ja Shapiro.

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

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2023/12/11/ultrasonic-3d-printer-could-one-day-help-repair-organs-in-the-body-without-surgery/