Ultralyd 3D-skriver kan en dag reparere organer i kroppen uten kirurgi

Et fyldig stykke gårdsfersk kyllinglår hvilte på en uberørt overflate ved Harvard Medical School. Hud på og bein inn, den ble skåret i skiver for så vidt å knekke beinet.

En robotarm svingte over, skannet bruddet og injiserte forsiktig en flytende cocktail av ingredienser inn i sprekken, inkludert noen isolert fra tang. Med flere ultralydpulser herdet væsken til et benlignende materiale og forseglet bruddet.

Dette var ikke et avantgarde-middagsshow. Det var snarere et nyskapende eksperiment for å se om ultralyd en dag kan brukes til å 3D-printe implantater direkte inne i kroppen vår.

Ledet av Dr. Yu Shrike Zhang ved Brigham and Women's Hospital og Harvard Medical School, en fersk undersøkelse kombinerte de unike egenskapene til ultralyd og 3D-utskrift for å reparere skadet vev. Kjernen i teknologien er en blanding av kjemikalier som geler som respons på lydbølger - en blanding kalt "sono-ink".

I en test printet teamet 3D ut en tegneserieaktig beinform inne i et heftig stykke isolert svinekjøtt, og ultralyden penetrerte lett lag med fett hud og vev. Teknologien laget også bikubelignende strukturer inne i isolerte svinelever og en hjerteform i nyrene.

Det høres kanskje makabert ut, men målet er ikke å 3D-printe emojier inne i levende vev. Snarere kan leger en dag bruke ultralyd og sono-blekk for å reparere skadede organer i kroppen som et alternativ til invasiv kirurgi.

Som et bevis på konseptet brukte teamet sono-ink for å reparere et ødelagt område av et isolert geitehjerte. Etter noen få støt med ultralyd ble det resulterende plasteret gelert og sømløst masket med omkringliggende hjertevev, og ble i hovedsak en biokompatibel, strekkbar bandasje.

En annen test fylte sono-blekk med et kjemoterapimedikament og injiserte blandingen i en skadet lever. I løpet av minutter frigjorde blekket stoffet til skadede områder, mens det sparte de fleste friske cellene rundt.

Teknologien tilbyr en måte å konvertere åpne operasjoner til mindre invasive behandlinger, skrev Drs. Yuxing Yao og Mikhail Shapiro ved California Institute of Technology, som ikke var involvert i studien. Den kan også brukes til å skrive ut kropps-maskin-grensesnitt som reagerer på ultralyd, lage fleksibel elektronikk for hjerteskader, eller effektivt levere anti-kreftmedisiner rett til kilden etter operasjonen for å begrense bivirkninger.

"Vi er fortsatt langt fra å bringe dette verktøyet inn i klinikken, men disse testene bekreftet potensialet til denne teknologien," sa Zhang. "Vi er veldig spente på å se hvor det kan gå herfra."

Fra lys til lyd

Takket være allsidigheten har 3D-utskrift fanget bioingeniørers fantasi når det kommer til bygge kunstige biologiske deler-for eksempel, stenter for livstruende hjertesykdom.

Prosessen er vanligvis iterativ. En blekkskriver 3D-skriver – i likhet med en kontorskriver – sprayer ut et tynt lag og "herder" det med lys. Dette størkner det flytende blekket og så, lag for lag, bygger skriveren en hel struktur. Likevel kan lys bare lyse opp overflaten til mange materialer, noe som gjør det umulig å generere en fullstendig utskrevet 3D-struktur med ett trykk.

Den nye studien vendte seg mot volumetrisk utskrift, der en skriver projiserer lys inn i et volum flytende harpiks, og størkner harpiksen inn i objektets struktur – og vips, objektet er bygget helt.

Prosessen er mye raskere og produserer objekter med jevnere overflater enn tradisjonell 3D-printing. Men det er begrenset av hvor langt lys kan skinne gjennom blekket og materialet rundt – for eksempel hud, muskler og annet vev.

Her er hvor ultralyd kommer inn. Mest kjent for mødrepleie, lavt nivå av ultralyd trenger lett gjennom ugjennomsiktige lag – som hud eller muskler – uten å skade. Kalt fokusert ultralyd, forskere utforsker teknologien for å overvåke og stimulere hjernen og annet vev.

Det har ulemper. Lydbølger blir uskarpe når de reiser gjennom væsker, som er rikelig i kroppen vår. Vant til å 3D-printe strukturer, kunne lydbølgene generere en vederstyggelighet av det originale designet. For å bygge en akustisk 3D-printer var det første trinnet å redesigne blekket.

En lydoppskrift

Teamet eksperimenterte først med blekkdesign som kureres med ultralyd. Oppskriften de kom frem til er en suppe av molekyler. Noen stivner når de varmes opp; andre absorberer lydbølger.

Sono-blekket forvandles til en gel på bare minutter etter ultralydpulser.

Prosessen er selvgående, forklarte Yao og Shapiro. Ultralyd utløser en kjemisk reaksjon som genererer varme som absorberes i gelen og akselererer syklusen. Fordi ultralydkilden styres av en robotarm, er det mulig å fokusere lydbølgene til en oppløsning på én millimeter – litt tykkere enn ditt gjennomsnittlige kredittkort.

Teamet testet flere sono-ink-oppskrifter og 3D-printede enkle strukturer, som et flerfarget tredelt utstyr og glød-i-mørke-strukturer som ligner blodårer. Dette hjalp teamet med å undersøke grensene for systemet og utforske potensielle bruksområder: Et fluorescerende 3D-printet implantat, for eksempel, kan være lettere å spore inne i kroppen.

Lydsuksess

Teamet vendte seg deretter til isolerte organer.

I en test injiserte de sono-blekk i et skadet geitehjerte. En lignende tilstand hos mennesker kan føre til dødelige blodpropp og hjerteinfarkt. Vanlig behandling er åpen hjertekirurgi.

Her infunderte teamet sono-blekk direkte inn i geitehjertet gjennom blodårer. Med nøyaktig fokuserte ultralydpulser dannet blekket gel for å beskytte den skadede regionen – uten å skade nabodeler – og koblet til hjertets eget vev.

I en annen test injiserte de blekket inn i et benbrudd fra kyllingben og rekonstruerte beinet "med sømløs binding til de opprinnelige delene," skrev forfatterne.

I en tredje test blandet de doksorubicin, et kjemoterapimiddel som ofte brukes ved brystkreft, inn i sono-blekk og injiserte det i skadede deler av en svinelever. Med ultralydeksplosjoner satte blekket seg ned i de skadede områdene og slapp stoffet gradvis ut i leveren i løpet av neste uke. Teamet tror denne metoden kan bidra til å forbedre kreftbehandlingen etter kirurgisk fjerning av svulster, forklarte de.

Systemet er bare en start. Sono-ink har ennå ikke blitt testet inne i en levende kropp, og det kan utløse toksiske effekter. Og mens ultralyd generelt er trygt, kan stimuleringen øke lydbølgetrykket og varme vev opp til en veldig toasty 158 grader Fahrenheit. For Yao og Shapiro kan disse utfordringene lede teknologien.

Muligheten til raskt å skrive ut myke 3D-materialer åpner døren til nye kropp-maskin-grensesnitt. Organplaster med innebygd elektronikk kan støtte langsiktig omsorg for personer med kronisk hjertesykdom. Ultralyd kan også stimulere vevsregenerering i dypere deler av kroppen uten invasiv kirurgi.

Bortsett fra biomedisinske applikasjoner, kan sono-ink til og med gjøre et sprut i vår hverdagens verden. 3D-printede sko har for eksempel allerede kommet på markedet. Det er mulig "fremtidens joggesko kan skrives ut med den samme akustiske metoden som reparerer bein," skrev Yao og Shapiro.

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

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://singularityhub.com/2023/12/11/ultrasonic-3d-printer-could-one-day-help-repair-organs-in-the-body-without-surgery/