Ultradźwiękowa drukarka 3D może pewnego dnia naprawić narządy w organizmie bez operacji

Pulchny kawałek świeżego udka kurczaka z farmy spoczywał na nieskazitelnej powierzchni w Harvard Medical School. Ze skórą i kośćmi, dokładnie pokrojono, aby ledwo złamać kość.

Ramię robota przechyliło się, przeskanowało pęknięcie i ostrożnie wstrzyknęło w szczelinę płynny koktajl składników, w tym trochę wyizolowanych z wodorostów. Po kilku impulsach ultradźwięków płyn stwardniał i utworzył materiał przypominający kość, zamykając złamanie.

To nie był awangardowy pokaz obiadowy. Był to raczej innowacyjny eksperyment mający na celu sprawdzenie, czy pewnego dnia ultradźwięki będą mogły zostać wykorzystane do drukowania implantów 3D bezpośrednio w naszym ciele.

Prowadzone przez dr Yu Shrike Zhanga w Brigham and Women's Hospital i Harvard Medical School, a Ostatnie badania połączył unikalne właściwości ultradźwięków i druku 3D w celu naprawy uszkodzonych tkanek. Sercem tej technologii jest mieszanina substancji chemicznych, które żelują w odpowiedzi na fale dźwiękowe – mikstura nazwana „sono-ink”.

W jednym z testów zespół wydrukował w 3D kreskówkowy kształt kości wewnątrz dużego kawałka izolowanego boczku wieprzowego, a ultradźwięki z łatwością przenikają przez warstwy tłustej skóry i tkanki. Dzięki tej technologii uzyskano także struktury przypominające ule wewnątrz izolowanych wątrób wieprzowych oraz kształt serca w nerkach.

Może to zabrzmieć makabrycznie, ale celem nie jest drukowanie emoji w żywej tkance w 3D. Zamiast tego lekarze będą mogli pewnego dnia użyć ultradźwięków i sono-atramentu do bezpośredniej naprawy uszkodzonych narządów wewnątrz ciała, co będzie alternatywą dla inwazyjnej operacji.

Aby potwierdzić słuszność koncepcji, zespół użył atramentu sono do naprawy uszkodzonego obszaru izolowanego serca kozy. Po kilku impulsach ultradźwięków powstały plaster zżelował i połączył się płynnie z otaczającą tkanką serca, stając się zasadniczo biokompatybilnym, rozciągliwym bandażem.

W innym teście do sono-atramentu dodano lek chemioterapeutyczny i wstrzyknięto tę miksturę do uszkodzonej wątroby. W ciągu kilku minut atrament uwolnił lek do uszkodzonych obszarów, oszczędzając jednocześnie większość zdrowych otaczających je komórek.

Technologia umożliwia przekształcenie operacji otwartych w mniej inwazyjne metody leczenia, napisał dr. Yuxing Yao i Mikhail Shapiro z California Institute of Technology, którzy nie brali udziału w badaniu. Można go również wykorzystać do drukowania interfejsów ciało-maszyna reagujących na ultradźwięki, tworzenia elastycznej elektroniki stosowanej w przypadku urazów serca lub skutecznego dostarczania leków przeciwnowotworowych bezpośrednio do źródła po operacji, aby ograniczyć skutki uboczne.

„Nadal jesteśmy daleko od wprowadzenia tego narzędzia do kliniki, ale te testy potwierdziły potencjał tej technologii” powiedziany Zhang. „Jesteśmy bardzo podekscytowani możliwością zobaczenia, dokąd może dojść”.

Od światła do dźwięku

Dzięki swojej wszechstronności druk 3D poruszył wyobraźnię bioinżynierów budowanie sztucznych części biologicznych-na przykład, stenty na zagrażającą życiu chorobę serca.

Proces jest zwykle iteracyjny. Atramentowa drukarka 3D – podobnie jak drukarka biurowa – natryskuje cienką warstwę i „utwardza” ją światłem. To zestala płynny atrament, a następnie, warstwa po warstwie, drukarka buduje całą strukturę. Jednak światło może oświetlać jedynie powierzchnię wielu materiałów, co uniemożliwia wygenerowanie w pełni wydrukowanej struktury 3D za jednym podmuchem.

W nowym badaniu skupiono się na druku wolumetrycznym, w którym drukarka rzuca światło na pewną ilość płynnej żywicy, utrwalając żywicę w strukturze przedmiotu – i voilà, obiekt jest zbudowany w całości.

Proces jest znacznie szybszy i pozwala uzyskać obiekty o gładszej powierzchni niż w przypadku tradycyjnego druku 3D. Jest to jednak ograniczone przez odległość, jaką światło może prześwitywać przez atrament i otaczający materiał — na przykład skórę, mięśnie i inne tkanki.

I tu z pomocą przychodzi ultradźwięki. Ultradźwięki o niskim stężeniu, najbardziej znane z opieki położniczej, z łatwością przenikają przez nieprzezroczyste warstwy, takie jak skóra czy mięśnie, bez szkody dla zdrowia. Naukowcy badają technologię monitorowania i stymulacji mózgu i innych tkanek, nazywaną skupionymi ultradźwiękami.

Ma wady. Fale dźwiękowe rozmywają się podczas podróży przez płyny, których w naszym organizmie jest mnóstwo. Używane do drukowania struktur 3D, fale dźwiękowe mogą wywołać obrzydliwość oryginalnego projektu. Aby zbudować akustyczną drukarkę 3D, pierwszym krokiem było przeprojektowanie atramentu.

Dźwiękowy przepis

Zespół najpierw eksperymentował z projektami atramentów utwardzanych ultradźwiękami. Przepis, który wymyślili, to zupa molekuł. Niektóre zestalają się po podgrzaniu; inne pochłaniają fale dźwiękowe.

Sono-ink zamienia się w żel w ciągu zaledwie kilku minut po impulsach ultradźwiękowych.

Proces ten napędza się samoczynnie, wyjaśnili Yao i Shapiro. Ultradźwięki wywołują reakcję chemiczną, która generuje ciepło, które jest wchłaniane przez żel i przyspiesza cykl. Ponieważ źródło ultradźwięków jest kontrolowane przez ramię robota, możliwe jest skupienie fal dźwiękowych z rozdzielczością jednego milimetra, czyli nieco grubszą niż przeciętna karta kredytowa.

Zespół przetestował wiele receptur sono-atramentu i wydrukowanych w 3D prostych konstrukcji, takich jak wielobarwne, trzyczęściowe koło zębate i świecące w ciemności struktury przypominające naczynia krwionośne. Pomogło to zespołowi zbadać ograniczenia systemu i zbadać potencjalne zastosowania: na przykład fluorescencyjny implant wydrukowany w drukarce 3D mógłby być łatwiejszy do śledzenia wewnątrz ciała.

Dźwiękowy sukces

Następnie zespół zajął się izolowanymi narządami.

W jednym z testów wstrzyknęli atrament sono do uszkodzonego serca kozy. Podobny stan u ludzi może prowadzić do śmiertelnych zakrzepów krwi i zawałów serca. Powszechną metodą leczenia jest operacja na otwartym sercu.

W tym przypadku zespół podał sono-atrament bezpośrednio do serca kozy poprzez naczynia krwionośne. Dzięki precyzyjnie skupionym impulsom ultradźwiękowym atrament żeluje, aby chronić uszkodzony obszar – bez uszkadzania sąsiednich części – i łączy się z tkankami serca.

W innym teście wstrzyknęli atrament w złamanie kości udka kurczaka i zrekonstruowali kość „bez szwu łącząc się z częściami natywnymi” – napisali autorzy.

W trzecim teście do sono-atramentu zmieszali doksorubicynę, lek stosowany w chemioterapii często stosowany w leczeniu raka piersi, i wstrzyknęli go w uszkodzone części wątroby wieprzowej. Pod wpływem ultradźwięków atrament osadzał się w uszkodzonych obszarach i przez następny tydzień stopniowo uwalniał lek do wątroby. Zespół uważa, że ​​ta metoda może pomóc w ulepszeniu leczenia raka po chirurgicznym usunięciu nowotworu – wyjaśnił.

System to dopiero początek. Sono-ink nie został jeszcze przetestowany na żywym organizmie i może wywoływać skutki toksyczne. I chociaż ultradźwięki są ogólnie bezpieczne, stymulacja może zwiększyć ciśnienie fali dźwiękowej i podgrzać tkanki do bardzo przyjemnej temperatury 158 stopni Fahrenheita. Dla Yao i Shapiro wyzwania te mogą wyznaczać kierunki rozwoju technologii.

Możliwość szybkiego drukowania miękkich materiałów 3D otwiera drzwi do nowych interfejsów ciało-maszyna. Plastry narządowe z wbudowaną elektroniką mogą wspierać długoterminową opiekę nad osobami z przewlekłą chorobą serca. Ultradźwięki mogą również pobudzić regenerację tkanek w głębszych partiach ciała bez inwazyjnej operacji.

Pomijając zastosowania biomedyczne, atrament sono mógłby nawet zrobić furorę w naszych codzienny świat. Na przykład buty wydrukowane w 3D weszły już na rynek. Możliwe, że „buty do biegania przyszłości będą mogły być drukowane tą samą metodą akustyczną, która naprawia kości” – napisali Yao i Shapiro.

Źródło zdjęcia: Alex Sanchez, Uniwersytet Duke; Junjie Yao, Uniwersytet Duke'a; Y. Shrike Zhang, Harvard Medical School

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://singularityhub.com/2023/12/11/ultrasonic-3d-printer-could-one-day-help-repair-organs-in-the-body-without-surgery/