Ultrasonic 3D Printer Could One Day Repair Organs In The Body Without Surgery

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Ultrasonic 3D Printer Could One Day Repair Organs in the Body Without Surgery PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.

Egy kövérkés darab farmon friss csirkecomb egy érintetlen felületen pihent a Harvard Medical Schoolban. Bőrön és csonton, pontosan fel volt vágva, hogy alig repedjen meg a csont.

Egy robotkar megfordult, átvizsgálta a törést, és óvatosan folyékony összetevőkből álló koktélt fecskendezett a repedésbe, köztük néhány hínárból izolált összetevőt. Több ultrahangimpulzussal a folyadék csontszerű anyaggá keményedett és lezárta a törést.

Ez nem egy avantgárd vacsoraműsor volt. Inkább egy innovatív kísérlet volt, hogy kiderüljön, lehet-e egy nap ultrahangot használni implantátumok 3D-nyomtatására közvetlenül a testünkben.

Dr. Yu Shrike Zhang vezetésével a Brigham and Women’s Hospital és a Harvard Medical School-ban, a nemrégiben készült tanulmány egyesítette az ultrahang és a 3D nyomtatás egyedülálló tulajdonságait a sérült szövetek helyreállítására. A technológia középpontjában olyan vegyi anyagok keveréke áll, amelyek a hanghullámokra reagálva gélesednek – ez a „sono-ink” elnevezésű főzet.

Az egyik teszt során a csapat 3D-ben karikatúraszerű csontformát nyomtatott egy vaskos darab izolált sertéshasba, és az ultrahang könnyen áthatolt a zsíros bőr és szövet rétegein. A technológia méhkasszerű szerkezeteket is készített izolált sertésmáj belsejében és szív alakú veséket.

Lehet, hogy hátborzongatóan hangzik, de nem az a cél, hogy 3D-s hangulatjeleket nyomtassunk élő szövetekbe. Inkább az orvosok egy napon ultrahangot és hangfestéket használnak a sérült szervek közvetlen helyreállítására az invazív műtét alternatívájaként.

A koncepció bizonyítékaként a csapat sono-tintával helyreállította egy elszigetelt kecskeszív törött régióját. Néhány ultrahang-fújás után a kapott tapasz gélesedett, és zökkenőmentesen illeszkedett a környező szívszövethez, és lényegében biokompatibilis, nyújtható kötszer lett.

Egy másik teszt kemoterápiás gyógyszerrel töltötte meg a sono-tintát, és a főzetet egy sérült májba fecskendezték. A tinta perceken belül a gyógyszert a sérült területekre engedte, miközben megkímélte a környező egészséges sejteket.

A technológia lehetőséget kínál a nyílt műtétek kevésbé invazív kezelésekké alakítására, írt Dr. Yuxing Yao és Mikhail Shapiro a Kaliforniai Műszaki Intézetben, akik nem vettek részt a tanulmányban. Használható olyan test-gép interfészek nyomtatására is, amelyek reagálnak az ultrahangra, rugalmas elektronikát készítenek szívsérülésekhez, vagy hatékonyan szállítják a rákellenes gyógyszereket közvetlenül a forráshoz a műtét után a mellékhatások korlátozása érdekében.

"Még messze vagyunk attól, hogy ezt az eszközt a klinikára hozzuk, de ezek a tesztek megerősítették a technológiában rejlő lehetőségeket." mondott Zhang. "Nagyon izgatottak vagyunk, hogy lássuk, hová juthat innen."

Fénytől hangig

Sokoldalúságának köszönhetően a 3D nyomtatás megragadta a biomérnökök fantáziáját, amikor arról van szó. mesterséges biológiai részek építése-például, stentek életveszélyes szívbetegség esetén.

A folyamat általában iteratív. A tintasugaras 3D nyomtató – az irodai nyomtatóhoz hasonlóan – vékony réteget szór ki és fénnyel „keményíti”. Ez megszilárdítja a folyékony tintát, majd rétegről rétegre a nyomtató egy teljes szerkezetet épít fel. A fény azonban csak sok anyag felületét képes megvilágítani, így lehetetlen egy fújással teljesen nyomtatott 3D-s szerkezetet létrehozni.

Az új tanulmány a volumetrikus nyomtatás felé fordult, ahol a nyomtató fényt vetít egy térfogatú folyékony gyantába, megszilárdítva a gyantát az objektum szerkezetébe – és íme, az objektum egészben épül fel.

A folyamat sokkal gyorsabb, és simább felületű tárgyakat készít, mint a hagyományos 3D nyomtatás. De ez korlátozza, hogy a fény milyen messzire tud átvilágítani a tintán és a környező anyagokon – például a bőrön, az izomzaton és más szöveteken.

Itt jön be az ultrahang. A legismertebb az anyai gondozásról, az alacsony szintű ultrahang könnyen áthatol az átlátszatlan rétegeken – például a bőrön vagy az izomzaton – anélkül, hogy kárt okozna. A fókuszált ultrahangnak nevezett kutatók az agy és más szövetek megfigyelésére és stimulálására alkalmas technológiát kutatják.

Ennek vannak hátrányai. A hanghullámok elmosódnak, amikor a testünkben bőségesen előforduló folyadékokon áthaladnak. A 3D nyomtatási struktúrákhoz használt hanghullámok az eredeti tervezés utálatosságát kelthetik. Egy akusztikus 3D nyomtató megépítéséhez az első lépés a tinta újratervezése volt.

Hangos Recept

A csapat először olyan tintatervekkel kísérletezett, amelyek ultrahanggal kötődnek. A recept, amit kitaláltak, egy molekulaleves. Néhányan megszilárdulnak hevítéskor; mások elnyelik a hanghullámokat.

A sono-tinta az ultrahang impulzusok után percek alatt géllé alakul.

A folyamat önjáró, magyarázta Yao és Shapiro. Az ultrahang kémiai reakciót vált ki, amely hőt termel, amely felszívódik a gélbe, és felgyorsítja a ciklust. Mivel az ultrahangforrást egy robotkar vezérli, a hanghullámokat egy milliméteres felbontásra lehet fókuszálni – ez egy kicsit vastagabb, mint az átlagos hitelkártya.

A csapat több sono-tinta receptet és 3D-s nyomtatott egyszerű szerkezeteket tesztelt, mint például egy többszínű, háromrészes fogaskerék és a sötétben világító, erekre emlékeztető szerkezetek. Ez segített a csapatnak feltérképezni a rendszer korlátait, és feltárni a lehetséges felhasználási lehetőségeket: Például egy fluoreszkáló 3D-nyomtatott implantátum könnyebben nyomon követhető a testben.

Hangos siker

A csapat ezután az elszigetelt szervek felé fordult.

Az egyik teszt során sono-tintát fecskendeztek egy sérült kecskeszívbe. Embereknél egy hasonló állapot halálos vérrögképződéshez és szívrohamhoz vezethet. A közös kezelés a nyitott szívműtét.

Itt a csapat a vérereken keresztül közvetlenül a kecske szívébe juttatta a sono-tintát. A pontosan fókuszált ultrahang impulzusokkal a tinta meggélesedett, hogy megvédje a sérült területet – anélkül, hogy károsítaná a szomszédos részeket – és összekapcsolódott a szív saját szöveteivel.

Egy másik teszt során a tintát egy csirkecomb csonttörésébe fecskendezték, és rekonstruálták a csontot „a natív részekhez való zökkenőmentes kötéssel” – írták a szerzők.

A harmadik tesztben doxorubicint, egy mellrákban gyakran használt kemoterápiás gyógyszert kevertek a sono-tintához, és a sertésmáj sérült részeibe fecskendezték be. Az ultrahanggal a tinta megtelepedett a sérült területeken, és a következő héten fokozatosan kiengedte a gyógyszert a májba. A csapat úgy véli, hogy ez a módszer javíthatja a rákkezelést a daganatok műtéti eltávolítása után – magyarázták.

A rendszer csak a kezdet. A Sono-tint még nem tesztelték élő testben, és mérgező hatásokat válthat ki. És bár az ultrahang általában biztonságos, a stimuláció növelheti a hanghullámok nyomását, és akár 158 Fahrenheit-fokra is felmelegítheti a szöveteket. Yao és Shapiro számára ezek a kihívások irányíthatják a technológiát.

A lágy 3D anyagok gyors nyomtatásának lehetősége új karosszéria-gép interfészek előtt nyitja meg az ajtót. A beágyazott elektronikával ellátott szervfoltok támogathatják a krónikus szívbetegségben szenvedők hosszú távú gondozását. Az ultrahang invazív műtét nélkül is ösztönözheti a szövetek regenerálódását a test mélyebb részein.

Az orvosbiológiai alkalmazásokat leszámítva a sono-tinta akár feltűnést kelthet a miénkben mindennapi világ. A 3D-nyomtatott cipők például már megjelentek a piacon. Lehetséges, hogy „a jövő futócipőit ugyanazzal az akusztikus módszerrel lehet nyomtatni, amely javítja a csontokat” – írta Yao és Shapiro.

A kép forrása: Alex Sanchez, Duke Egyetem; Junjie Yao, Duke Egyetem; Y. Shrike Zhang, a Harvard Medical School