La stampante 3D a ultrasuoni potrebbe un giorno riparare gli organi del corpo senza intervento chirurgico

Un grosso pezzo di coscia di pollo fresca di fattoria riposava su una superficie immacolata alla Harvard Medical School. Pelle e osso, è stato tagliato con precisione per rompere a malapena l'osso.

Un braccio robotico si è avvicinato, ha scansionato la rottura e ha iniettato con cura nella fessura un cocktail liquido di ingredienti, inclusi alcuni isolati da alghe marine. Con diversi impulsi di ultrasuoni, il liquido si è indurito in un materiale simile a un osso e ha sigillato la frattura.

Questa non era una cena-spettacolo d'avanguardia. Piuttosto, si è trattato di un esperimento innovativo per vedere se un giorno gli ultrasuoni potranno essere utilizzati per stampare impianti in 3D direttamente all’interno del nostro corpo.

Guidato dal dottor Yu Shrike Zhang al Brigham and Women's Hospital e alla Harvard Medical School, a recente studio ha combinato le proprietà uniche degli ultrasuoni e della stampa 3D per riparare i tessuti danneggiati. Al centro della tecnologia c’è una miscela di sostanze chimiche che gelificano in risposta alle onde sonore, una miscela chiamata “sono-ink”.

In un test, il team ha stampato in 3D una forma di osso da cartone animato all’interno di un grosso pezzo di pancetta di maiale isolata, gli ultrasuoni penetrano facilmente negli strati di pelle e tessuti grassi. La tecnologia ha anche creato strutture simili ad alveari all’interno di fegati di maiale isolati e una forma a cuore nei reni.

Può sembrare macabro, ma l’obiettivo non è stampare emoji in 3D all’interno dei tessuti viventi. Piuttosto, i medici potrebbero un giorno utilizzare gli ultrasuoni e l’inchiostro sonoro per riparare direttamente gli organi danneggiati all’interno del corpo come alternativa alla chirurgia invasiva.

Come prova del concetto, il team ha utilizzato inchiostro sonoro per riparare una regione rotta di un cuore di capra isolato. Dopo alcuni impulsi di ultrasuoni, il cerotto risultante si è gelificato e si è intrecciato perfettamente con il tessuto cardiaco circostante, diventando essenzialmente una benda biocompatibile ed estensibile.

Un altro test ha caricato l'inchiostro sonoro con un farmaco chemioterapico e ha iniettato la miscela in un fegato danneggiato. Nel giro di pochi minuti, l’inchiostro ha rilasciato il farmaco nelle aree ferite, risparmiando la maggior parte delle cellule sane circostanti.

La tecnologia offre un modo per convertire gli interventi chirurgici a cielo aperto in trattamenti meno invasivi, ha scritto Dott. Yuxing Yao e Mikhail Shapiro del California Institute of Technology, che non sono stati coinvolti nello studio. Potrebbe anche essere utilizzato per stampare interfacce corpo-macchina che rispondono agli ultrasuoni, realizzare dispositivi elettronici flessibili per lesioni cardiache o fornire in modo efficiente farmaci antitumorali direttamente alla fonte dopo un intervento chirurgico per limitare gli effetti collaterali.

“Siamo ancora lontani dal portare questo strumento nella pratica clinica, ma questi test hanno riaffermato il potenziale di questa tecnologia”, disse Zhang. "Siamo molto entusiasti di vedere dove può andare da qui."

Dalla luce al suono

Grazie alla sua versatilità, la stampa 3D ha catturato l'immaginazione dei bioingegneri in termini di costruire parti biologiche artificiali-Per esempio, stent per malattie cardiache potenzialmente letali.

Il processo è solitamente iterativo. Una stampante 3D a getto d’inchiostro, simile a una stampante da ufficio, spruzza uno strato sottile e lo “polimerizza” con la luce. Questo solidifica l'inchiostro liquido e poi, strato dopo strato, la stampante costruisce un'intera struttura. Eppure la luce può illuminare solo la superficie di molti materiali, rendendo impossibile generare una struttura 3D completamente stampata con un solo colpo.

Il nuovo studio si è rivolto alla stampa volumetrica, in cui una stampante proietta la luce in un volume di resina liquida, solidificando la resina nella struttura dell'oggetto e voilà, l'oggetto è costruito intero.

Il processo è molto più veloce e produce oggetti con superfici più lisce rispetto alla tradizionale stampa 3D. Ma è limitato dalla distanza con cui la luce può brillare attraverso l'inchiostro e il materiale circostante, ad esempio pelle, muscoli e altri tessuti.

È qui che entrano in gioco gli ultrasuoni. Meglio conosciuti per l'assistenza materna, bassi livelli di ultrasuoni penetrano facilmente negli strati opachi, come pelle o muscoli, senza danni. Chiamati ultrasuoni focalizzati, i ricercatori stanno esplorando la tecnologia per monitorare e stimolare il cervello e altri tessuti.

Ha degli svantaggi. Le onde sonore si confondono quando viaggiano attraverso i liquidi, che abbondano nel nostro corpo. Utilizzate per stampare strutture in 3D, le onde sonore potrebbero generare un abominio del progetto originale. Per costruire una stampante 3D acustica, il primo passo è stato riprogettare l’inchiostro.

Una ricetta sonora

Il team ha prima sperimentato disegni con inchiostri che polimerizzano con gli ultrasuoni. La ricetta che hanno ideato è una zuppa di molecole. Alcuni si solidificano se riscaldati; altri assorbono le onde sonore.

L'inchiostro sonoro si trasforma in un gel in pochi minuti dopo gli impulsi ultrasonici.

Il processo è semovente, hanno spiegato Yao e Shapiro. Gli ultrasuoni innescano una reazione chimica che genera calore che viene assorbito nel gel e accelera il ciclo. Poiché la sorgente degli ultrasuoni è controllata da un braccio robotico, è possibile focalizzare le onde sonore con una risoluzione di un millimetro, un po' più spessa di una normale carta di credito.

Il team ha testato diverse ricette di inchiostro sonoro e strutture semplici stampate in 3D, come un ingranaggio in tre pezzi multicolore e strutture fosforescenti che ricordano i vasi sanguigni. Ciò ha aiutato il team a sondare i limiti del sistema ed esplorare potenziali usi: un impianto fluorescente stampato in 3D, ad esempio, potrebbe essere più facile da tracciare all’interno del corpo.

Successo sonoro

Successivamente il team si è rivolto agli organi isolati.

In un test, hanno iniettato inchiostro di sonoro nel cuore di una capra danneggiato. Una condizione simile negli esseri umani può portare a coaguli di sangue mortali e attacchi di cuore. Il trattamento comune è la chirurgia a cuore aperto.

Qui, il team ha infuso inchiostro sonoro direttamente nel cuore della capra attraverso i vasi sanguigni. Con impulsi ultrasonici focalizzati con precisione, l'inchiostro si è gelificato per proteggere la regione danneggiata, senza danneggiare le parti vicine, e si è collegato ai tessuti del cuore.

In un altro test, hanno iniettato l’inchiostro in una frattura dell’osso di una coscia di pollo e hanno ricostruito l’osso “con un legame perfetto con le parti native”, hanno scritto gli autori.

In un terzo test, hanno mescolato la doxorubicina, un farmaco chemioterapico spesso utilizzato contro il cancro al seno, nell’inchiostro sonoro e l’hanno iniettato nelle parti danneggiate del fegato di maiale. Con gli ultrasuoni, l’inchiostro si depositava nelle regioni danneggiate e rilasciava gradualmente il farmaco nel fegato nel corso della settimana successiva. Il team ritiene che questo metodo potrebbe contribuire a migliorare il trattamento del cancro dopo la rimozione chirurgica dei tumori, hanno spiegato.

Il sistema è solo l'inizio. L'inchiostro Sono non è stato ancora testato all'interno di un corpo vivente e potrebbe innescare effetti tossici. E mentre gli ultrasuoni sono generalmente sicuri, la stimolazione può aumentare la pressione delle onde sonore e riscaldare i tessuti fino a 158 gradi Fahrenheit molto tostati. Per Yao e Shapiro, queste sfide possono guidare la tecnologia.

La capacità di stampare rapidamente materiali 3D morbidi apre le porte a nuove interfacce corpo-macchina. I cerotti per organi con elettronica incorporata potrebbero supportare l’assistenza a lungo termine per le persone con malattie cardiache croniche. Gli ultrasuoni potrebbero anche stimolare la rigenerazione dei tessuti nelle parti più profonde del corpo senza un intervento chirurgico invasivo.

Applicazioni biomediche a parte, l'inchiostro sonoro potrebbe fare scalpore anche nel nostro mondo quotidiano. Le scarpe stampate in 3D, ad esempio, sono già entrate nel mercato. È possibile che “le scarpe da corsa del futuro possano essere stampate con lo stesso metodo acustico che ripara le ossa”, hanno scritto Yao e Shapiro.

Credito immagine: Alex Sanchez, Duke University; Junjie Yao, Università Duke; Y. Shrike Zhang, Scuola di Medicina di Harvard

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/12/11/ultrasonic-3d-printer-could-one-day-help-repair-organs-in-the-body-without-surgery/