Ultrasone 3D-printer zou op een dag organen in het lichaam kunnen repareren zonder operatie

Een mollig stuk kakelverse kippenpoot rustte op een ongerept oppervlak van de Harvard Medical School. Met de huid en het bot erin, werd het precies gesneden om het bot nauwelijks te kraken.

Een robotarm draaide zich om, scande de breuk en injecteerde voorzichtig een vloeibare cocktail van ingrediënten in de scheur, waaronder enkele geïsoleerd uit zeewier. Met verschillende ultrasone pulsen hardde de vloeistof uit tot een botachtig materiaal en sloot de breuk af.

Dit was geen avant-gardistische dinershow. Het was eerder een innovatief experiment om te zien of echografie op een dag gebruikt kan worden om implantaten direct in ons lichaam in 3D te printen.

Onder leiding van Dr. Yu Shrike Zhang van het Brigham and Women's Hospital en de Harvard Medical School recente studie combineerde de unieke eigenschappen van echografie en 3D-printen om beschadigd weefsel te herstellen. De kern van de technologie is een mengsel van chemicaliën die geleren als reactie op geluidsgolven – een mengsel dat ‘sono-inkt’ wordt genoemd.

In één test heeft het team een ​​cartoonachtige botvorm in een flink stuk geïsoleerd buikspek in 3D geprint, waarbij de echografie gemakkelijk lagen van vette huid en weefsel doordringt. De technologie maakte ook bijenkorfachtige structuren in geïsoleerde varkenslevers en een hartvorm in de nieren.

Het klinkt misschien macaber, maar het doel is niet om emoji's in levend weefsel in 3D te printen. In plaats daarvan kunnen artsen op een dag echografie en sono-inkt gebruiken om beschadigde organen in het lichaam direct te repareren als alternatief voor invasieve chirurgie.

Als proof of concept gebruikte het team sono-inkt om een ​​gebroken gebied van een geïsoleerd geitenhart te repareren. Na een paar echografieën gegeleerde de resulterende pleister en sloot naadloos aan op het omringende hartweefsel, waardoor het in wezen een biocompatibel, rekbaar verband werd.

Een andere test laadde de sono-inkt met een chemotherapiemedicijn en injecteerde het brouwsel in een beschadigde lever. Binnen enkele minuten bracht de inkt het medicijn vrij in de gewonde gebieden, terwijl de meeste gezonde omliggende cellen werden gespaard.

De technologie biedt een manier om open operaties om te zetten in minder invasieve behandelingen. schreef Drs. Yuxing Yao en Mikhail Shapiro van het California Institute of Technology, die niet bij het onderzoek betrokken waren. Het kan ook worden gebruikt om interfaces tussen lichaam en machine te printen die reageren op echografie, om flexibele elektronica te maken voor hartletsel, of om op efficiënte wijze antikankermedicijnen na een operatie rechtstreeks naar de bron af te leveren om bijwerkingen te beperken.

“We zijn nog lang niet zover dat we dit hulpmiddel in de kliniek kunnen introduceren, maar deze tests hebben het potentieel van deze technologie opnieuw bevestigd,” zei Zhang. “We zijn erg enthousiast om te zien waar het vanaf hier naartoe kan gaan.”

Van licht naar geluid

Dankzij de veelzijdigheid spreekt 3D-printen tot de verbeelding van bio-ingenieurs het bouwen van kunstmatige biologische onderdelen-bijvoorbeeld, stents voor levensbedreigende hartziekten.

Het proces is meestal iteratief. Een inkjet 3D-printer – vergelijkbaar met een kantoorprinter – spuit een dunne laag uit en ‘hardt’ deze uit met licht. Hierdoor stolt de vloeibare inkt en vervolgens bouwt de printer laag voor laag een hele structuur op. Toch kan licht alleen het oppervlak van veel materialen verlichten, waardoor het onmogelijk is om met één druk op de knop een volledig geprinte 3D-structuur te genereren.

Het nieuwe onderzoek richtte zich op volumetrisch printen, waarbij een printer licht projecteert in een volume vloeibare hars, waardoor de hars in de structuur van het object stolt - en voilà, het object is in zijn geheel gebouwd.

Het proces is veel sneller en produceert objecten met gladdere oppervlakken dan traditioneel 3D-printen. Maar het wordt beperkt door de mate waarin het licht door de inkt en het omringende materiaal kan schijnen, bijvoorbeeld huid, spieren en ander weefsel.

Hier komt echografie om de hoek kijken. Het staat vooral bekend om de zorg voor moeders; lage niveaus van echografie dringen gemakkelijk door ondoorzichtige lagen, zoals huid of spieren, zonder schade aan te richten. Onderzoekers, genaamd gerichte echografie, onderzoeken de technologie om de hersenen en andere weefsels te monitoren en te stimuleren.

Het heeft nadelen. Geluidsgolven vervagen wanneer ze door vloeistoffen reizen, die overvloedig aanwezig zijn in ons lichaam. Als de geluidsgolven worden gebruikt om structuren in 3D te printen, kunnen ze een gruwel van het oorspronkelijke ontwerp genereren. Om een ​​akoestische 3D-printer te bouwen, was de eerste stap het opnieuw ontwerpen van de inkt.

Een gezond recept

Het team experimenteerde eerst met inktontwerpen die uitharden met echografie. Het recept dat ze bedachten is een soep van moleculen. Sommige stollen bij verhitting; anderen absorberen geluidsgolven.

De sono-inkt verandert binnen enkele minuten na ultrasone pulsen in een gel.

Het proces is zelfrijdend, leggen Yao en Shapiro uit. Echografie veroorzaakt een chemische reactie die warmte genereert die in de gel wordt geabsorbeerd en de cyclus versnelt. Omdat de ultrasone bron wordt aangestuurd door een robotarm, is het mogelijk de geluidsgolven te focussen tot een resolutie van één millimeter, iets dikker dan de gemiddelde creditcard.

Het team testte meerdere sono-inktrecepten en 3D-geprinte eenvoudige structuren, zoals een veelkleurige driedelige uitrusting en glow-in-the-dark-structuren die op bloedvaten lijken. Dit hielp het team de grenzen van het systeem te onderzoeken en mogelijke toepassingen te onderzoeken: een fluorescerend 3D-geprint implantaat zou bijvoorbeeld gemakkelijker in het lichaam te volgen kunnen zijn.

Geluid succes

Het team richtte zich vervolgens op geïsoleerde organen.

In één test injecteerden ze sono-inkt in een beschadigd geitenhart. Een soortgelijke aandoening bij mensen kan leiden tot dodelijke bloedstolsels en hartaanvallen. De gebruikelijke behandeling is een openhartoperatie.

Hier injecteerde het team sono-inkt rechtstreeks in het geitenhart via bloedvaten. Met nauwkeurig gefocuste ultrasone pulsen vormde de inkt een gel om het beschadigde gebied te beschermen – zonder aangrenzende delen te beschadigen – en verbonden met de eigen weefsels van het hart.

In een andere test injecteerden ze de inkt in een botbreuk van een kippenpoot en reconstrueerden het bot “met naadloze verbinding met de oorspronkelijke delen”, schreven de auteurs.

In een derde test mengden ze doxorubicine, een chemotherapiemedicijn dat vaak wordt gebruikt bij borstkanker, in de sono-inkt en injecteerden dit in beschadigde delen van een varkenslever. Met ultrasone golven nestelde de inkt zich in de beschadigde gebieden en liet het medicijn de week daarop geleidelijk vrij in de lever. Het team denkt dat deze methode de behandeling van kanker kan helpen verbeteren na de chirurgische verwijdering van tumoren, legden ze uit.

Het systeem is slechts een begin. Sono-inkt is nog niet getest in een levend lichaam en kan toxische effecten veroorzaken. En hoewel echografie over het algemeen veilig is, kan de stimulatie de druk van de geluidsgolven verhogen en weefsels verwarmen tot een zeer aangename temperatuur van 158 graden Fahrenheit. Voor Yao en Shapiro kunnen deze uitdagingen de technologie sturen.

De mogelijkheid om snel zachte 3D-materialen te printen opent de deur naar nieuwe lichaam-machine-interfaces. Orgaanpatches met ingebouwde elektronica kunnen de langdurige zorg voor mensen met chronische hartziekten ondersteunen. Echografie kan ook weefselregeneratie in diepere delen van het lichaam stimuleren zonder invasieve chirurgie.

Afgezien van de biomedische toepassingen zou sono-inkt zelfs een plons kunnen maken in onze technologie alledaagse wereld. 3D-geprinte schoenen zijn bijvoorbeeld al op de markt gekomen. Het is mogelijk dat “de hardloopschoenen van de toekomst geprint kunnen worden met dezelfde akoestische methode die botten repareert”, schreven Yao en Shapiro.

Beeldcredits: Alex Sanchez, Duke Universiteit; Junjie Yao, Duke Universiteit; Y. Klauwier Zhang, Harvard Medical School

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/12/11/ultrasonic-3d-printer-could-one-day-help-repair-organs-in-the-body-without-surgery/