超音波 3D プリンターを使えば、ある日、手術なしで体内の臓器を修復できるようになる

ハーバード大学医学部のきれいな表面に、農場で採れたばかりのふっくらとした鶏もも肉が置かれていました。 皮付き、骨付き、骨がほとんど割れない程度に正確にスライスされています。

ロボットアームが方向を変え、破損箇所をスキャンし、海藻から分離されたものを含む成分の液体カクテルを亀裂に注意深く注入した。 超音波を数パルス当てると、液体が硬化して骨のような物質になり、骨折部が密閉されました。

これは前衛的なディナーショーではありませんでした。 むしろ、これは、いつか超音波を使用して体内に直接インプラントを 3D プリントできるかどうかを確認する革新的な実験でした。

ブリガム・アンド・ウィメンズ病院とハーバード大学医学部のユウ・シュライク・チャン博士が率いる。 最近の研究 超音波と 3D プリンティングのユニークな特性を組み合わせて、損傷した組織を修復します。 この技術の中心となるのは、音波に反応してゲル化する化学物質の混合物、つまり「ソノインク」と呼ばれる調合物です。

あるテストでは、チームは孤立した豚バラ肉の分厚い部分の中に漫画のような骨の形を 3D プリントし、超音波は脂肪の多い皮膚と組織の層を容易に貫通しました。 この技術はまた、分離された豚レバーの中に蜂の巣のような構造を作り、腎臓に心臓の形を作りました。

不気味に聞こえるかもしれないが、目標は生体組織内に絵文字を 3D プリントすることではない。 むしろ、医師はいつか超音波とソノインクを使用して、侵襲的手術の代替として体内の損傷した器官を直接修復するかもしれない。

概念実証として、チームはソノインクを使用して、孤立したヤギの心臓の壊れた領域を修復しました。 超音波を数回照射した後、得られたパッチはゲル化して周囲の心臓組織とシームレスに噛み合い、本質的に生体適合性のある伸縮性のある包帯になりました。

別の実験では、ソノインクに化学療法薬を充填し、その調合物を損傷した肝臓に注射した。 数分以内に、インクは損傷した領域に薬剤を放出し、周囲の健康な細胞のほとんどを傷つけませんでした。

この技術は、開腹手術を低侵襲治療に変える方法を提供します。 書いた 博士たち。 カリフォルニア工科大学のYuxing Yao氏とMikhail Shapiro氏はこの研究には関与していない。 また、超音波に反応する身体と​​機械のインターフェースを印刷したり、心臓損傷用の柔軟な電子機器を作成したり、副作用を制限するために手術後に抗がん剤を直接供給源に効率的に送達したりするためにも使用できます。

「このツールを臨床に導入するにはまだ程遠いですが、これらのテストにより、このテクノロジーの可能性が再確認されました。」 と 張さん。 「ここからどこまで発展するか非常に楽しみです。」

光から音へ

3D プリンティングはその多用途性のおかげで、次の点でバイオエンジニアの想像力を魅了してきました。 人工生体部品の構築-例えば、 ステント 命を脅かす心臓病の場合。

通常、このプロセスは反復的です。 インクジェット 3D プリンターは、オフィスのプリンターと同様に、薄い層をスプレーし、光で「硬化」します。 これにより液体インクが固まり、プリンターは層ごとに全体の構造を構築します。 しかし、光は多くの素材の表面しか照らすことができないため、一度のブラストで完全にプリントされた 3D 構造を生成することは不可能です。

新しい研究は体積印刷に焦点を当てました。この印刷では、プリンターが大量の液体樹脂に光を照射し、樹脂を固化させて物体の構造を作ります。これで、物体が完全に構築されます。

このプロセスは従来の 3D プリントよりもはるかに高速で、表面が滑らかなオブジェクトを生成します。 ただし、光がインクや周囲の物質 (皮膚、筋肉、その他の組織など) を通過できる距離によって制限されます。

ここで超音波の出番です。妊産婦ケアで最もよく知られている低レベルの超音波は、皮膚や筋肉などの不透明な層に害を与えることなく容易に浸透します。 集束超音波と呼ばれる研究者は、脳やその他の組織を監視し、刺激する技術を研究しています。

欠点もあります。 音波は、私たちの体内に豊富に存在する液体中を伝わるときにぼやけます。 構造を 3D プリントするために使用される音波は、元のデザインの忌まわしいものを生成する可能性があります。 音響 3D プリンターを構築するための最初のステップは、インクを再設計することでした。

サウンドレシピ

研究チームはまず、超音波で硬化するインクの設計を実験した。 彼らが考え出したレシピは分子のスープです。 加熱すると固まるものもあります。 他のものは音波を吸収します。

sono-ink は、超音波パルス後わずか数分でゲルに変化します。

このプロセスは自走式である、とヤオ氏とシャピロ氏は説明した。 超音波は化学反応を引き起こし、熱を発生させ、その熱がゲルに吸収され、サイクルが加速されます。 超音波源はロボット アームによって制御されるため、平均的なクレジット カードよりも少し厚い XNUMX ミリメートルの解像度に音波を集中させることができます。

チームは複数のソノインクレシピをテストし、マルチカラーのスリーピースギアや血管に似た蓄光構造などの単純な構造を 3D プリントしてテストしました。 これは、チームがシステムの限界を調査し、潜在的な用途を探索するのに役立ちました。たとえば、蛍光 3D プリントされたインプラントは、体内での追跡が容易になる可能性があります。

健全な成功

研究チームは次に、隔離された臓器に目を向けた。

ある実験では、損傷したヤギの心臓にソノインクを注入した。 人間でも同様の症状が発生し、致命的な血栓や心臓発作を引き起こす可能性があります。 一般的な治療法は開胸手術です。

ここで、研究チームは血管を通してヤギの心臓に直接ソノインクを注入した。 正確に集束された超音波パルスにより、インクがゲル化して、隣接する部分を傷つけることなく、損傷した領域を保護し、心臓自体の組織と結合しました。

別の実験では、鶏の足の骨の骨折にインクを注入し、「本来の部分にシームレスに結合して」骨を再構築したと著者らは書いている。

XNUMX回目の実験では、乳がんによく使われる化学療法薬であるドキソルビシンをソノインクに混ぜて、豚肝臓の損傷部分に注射した。 超音波を照射すると、インクが損傷部位に定着し、その後 XNUMX 週間かけて徐々に薬物が肝臓に放出されました。 研究チームは、この方法が腫瘍の外科的除去後のがん治療の改善に役立つ可能性があると考えていると説明した。

このシステムは始まりにすぎません。 Sono-ink はまだ生体内での試験が行われておらず、有毒作用を引き起こす可能性があります。 超音波は一般に安全ですが、刺激により音波の圧力が上昇し、組織が非常に高温になる華氏 158 度まで加熱される可能性があります。 ヤオ氏とシャピロ氏にとって、これらの課題はテクノロジーの指針となる可能性があります。

ソフト 3D マテリアルを迅速にプリントできる機能により、新しいボディマシン インターフェイスへの扉が開きます。 電子機器が組み込まれた臓器パッチは、慢性心疾患を持つ人々の長期ケアをサポートできる可能性があります。 超音波は、侵襲的手術を行わずに体の深部の組織再生を促進する可能性もあります。

生物医学的応用は別として、sono-ink は私たちの社会にも影響を与える可能性があります。 日常の世界。 たとえば、3D プリントされた靴はすでに市場に参入しています。 ヤオ氏とシャピロ氏は、「未来のランニングシューズには、骨を修復するのと同じ音響方法でプリントできる可能性がある」と書いている。

画像クレジット: Alex Sanchez、デューク大学。 Junjie Yao、デューク大学。 Y. シュライク・チャン、ハーバード大学医学部

• SEO を活用したコンテンツと PR 配信。 今日増幅されます。
• PlatoData.Network 垂直生成 Ai。 自分自身に力を与えましょう。 こちらからアクセスしてください。
• プラトアイストリーム。 Web3 インテリジェンス。 知識増幅。 こちらからアクセスしてください。
• プラトンESG。 カーボン、 クリーンテック、 エネルギー、 環境、 太陽、 廃棄物管理。 こちらからアクセスしてください。
• プラトンヘルス。 バイオテクノロジーと臨床試験のインテリジェンス。 こちらからアクセスしてください。
• 情報源： https://singularityhub.com/2023/12/11/ultrasonic-3d-printer-could-one-day-help-repair-organs-in-the-body-without-surgery/