Impressora 3D ultrassônica poderá um dia reparar órgãos do corpo sem cirurgia

Impressora 3D ultrassônica poderá um dia reparar órgãos do corpo sem cirurgia

Carimbo de data / hora: 11 de dezembro de 2023, 5h35
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Um pedaço rechonchudo de coxa de frango fresco descansava sobre uma superfície imaculada na Harvard Medical School. Com pele e osso, foi cortado com precisão para quase quebrar o osso.

Um braço robótico desviou-se, examinou a quebra e injetou cuidadosamente um coquetel líquido de ingredientes na fenda, incluindo alguns isolados de algas marinhas. Com vários pulsos de ultrassom, o líquido endureceu até formar um material semelhante a um osso e selou a fratura.

Este não foi um jantar show de vanguarda. Em vez disso, foi um experimento inovador para ver se o ultrassom poderá um dia ser usado para imprimir implantes em 3D diretamente dentro do nosso corpo.

Liderado pelo Dr. Yu Shrike Zhang no Brigham and Women's Hospital e na Harvard Medical School, um estudo recente combinou as propriedades únicas do ultrassom e da impressão 3D para reparar tecidos danificados. No centro da tecnologia está uma mistura de produtos químicos que formam gel em resposta a ondas sônicas – uma mistura chamada “sono-ink”.

Em um teste, a equipe imprimiu em 3D um formato de osso de desenho animado dentro de um pedaço robusto de barriga de porco isolada, o ultrassom penetrando facilmente nas camadas de pele e tecido gorduroso. A tecnologia também criou estruturas semelhantes a colmeias dentro de fígados de porco isolados e um formato de coração nos rins.

Pode parecer macabro, mas o objetivo não é imprimir emojis em 3D dentro de tecidos vivos. Em vez disso, os médicos poderão um dia usar ultrassom e tinta sonolenta para reparar diretamente órgãos danificados dentro do corpo, como alternativa à cirurgia invasiva.

Como prova de conceito, a equipe usou sono-ink para reparar uma região quebrada de um coração de cabra isolado. Depois de algumas explosões de ultrassom, o adesivo resultante gelificou e se misturou perfeitamente com o tecido cardíaco circundante, tornando-se essencialmente uma bandagem elástica e biocompatível.

Outro teste carregou a sono-ink com uma droga quimioterápica e injetou a mistura em um fígado danificado. Em poucos minutos, a tinta liberou a droga nas áreas lesionadas, poupando a maioria das células saudáveis ​​circundantes.

A tecnologia oferece uma forma de converter cirurgias abertas em tratamentos menos invasivos, escreveu Drs. Yuxing Yao e Mikhail Shapiro, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que não estiveram envolvidos no estudo. Ele também poderia ser usado para imprimir interfaces corpo-máquina que respondam ao ultrassom, fabricar componentes eletrônicos flexíveis para lesões cardíacas ou fornecer medicamentos anticâncer com eficiência diretamente à fonte após a cirurgia para limitar os efeitos colaterais.

“Ainda estamos longe de trazer essa ferramenta para a clínica, mas esses testes reafirmaram o potencial dessa tecnologia”, dito Zhang. “Estamos muito entusiasmados para ver onde isso pode ir a partir daqui.”

Da luz ao som

Graças à sua versatilidade, a impressão 3D capturou a imaginação dos bioengenheiros quando se trata de construindo peças biológicas artificiais-por exemplo, stents para doenças cardíacas potencialmente fatais.

O processo geralmente é iterativo. Uma impressora 3D a jato de tinta – semelhante a uma impressora de escritório – espalha uma camada fina e a “cura” com luz. Isso solidifica a tinta líquida e então, camada por camada, a impressora constrói toda uma estrutura. No entanto, a luz só consegue iluminar a superfície de muitos materiais, tornando impossível gerar uma estrutura 3D totalmente impressa com uma única explosão.

O novo estudo voltou-se para a impressão volumétrica, onde uma impressora projeta luz em um volume de resina líquida, solidificando a resina na estrutura do objeto – e voilà, o objeto é construído inteiro.

O processo é muito mais rápido e produz objetos com superfícies mais lisas do que a impressão 3D tradicional. Mas é limitado pela distância que a luz pode brilhar através da tinta e do material circundante – por exemplo, pele, músculos e outros tecidos.

É aqui que entra o ultrassom. Mais conhecido pelos cuidados maternos, os baixos níveis de ultrassom penetram facilmente em camadas opacas - como pele ou músculo - sem causar danos. Chamado de ultrassom focado, os pesquisadores estão explorando a tecnologia para monitorar e estimular o cérebro e outros tecidos.

Tem desvantagens. As ondas sonoras ficam confusas quando viajam através de líquidos, que são abundantes em nossos corpos. Usadas para imprimir estruturas em 3D, as ondas sonoras podem gerar uma abominação do design original. Para construir uma impressora 3D acústica, o primeiro passo foi redesenhar a tinta.

Uma receita sonora

A equipe primeiro experimentou designs de tinta que curavam com ultrassom. A receita que criaram é uma sopa de moléculas. Alguns solidificam quando aquecidos; outros absorvem ondas sonoras.

A sono-ink se transforma em gel poucos minutos após os pulsos de ultrassom.

O processo é autopropulsor, explicaram Yao e Shapiro. O ultrassom desencadeia uma reação química que gera calor que é absorvido pelo gel e acelera o ciclo. Como a fonte de ultrassom é controlada por um braço robótico, é possível focar as ondas sonoras com uma resolução de um milímetro – um pouco mais espessa do que a média de um cartão de crédito.

A equipe testou várias receitas de sono-ink e estruturas simples impressas em 3D, como uma engrenagem multicolorida de três peças e estruturas que brilham no escuro, semelhantes a vasos sanguíneos. Isso ajudou a equipe a investigar os limites do sistema e explorar usos potenciais: um implante fluorescente impresso em 3D, por exemplo, poderia ser mais fácil de rastrear dentro do corpo.

Sucesso sonoro

Em seguida, a equipe voltou-se para órgãos isolados.

Em um teste, eles injetaram tinta sonolenta em um coração de cabra danificado. Uma condição semelhante em humanos pode causar coágulos sanguíneos mortais e ataques cardíacos. O tratamento comum é a cirurgia de coração aberto.

Aqui, a equipe infundiu sono-tinta diretamente no coração da cabra através dos vasos sanguíneos. Com pulsos de ultrassom focados com precisão, a tinta gelificou para proteger a região danificada – sem danificar as partes vizinhas – e se conectou aos próprios tecidos do coração.

Em outro teste, eles injetaram a tinta em uma fratura óssea de uma perna de frango e reconstruíram o osso “com uma ligação perfeita às partes nativas”, escreveram os autores.

Num terceiro teste, eles misturaram doxorrubicina, um medicamento quimioterápico frequentemente usado no câncer de mama, na sono-ink e injetaram-na em partes danificadas de um fígado de porco. Com explosões de ultrassom, a tinta se instalou nas regiões danificadas e liberou gradualmente a droga no fígado durante a semana seguinte. A equipe acredita que este método pode ajudar a melhorar o tratamento do câncer após a remoção cirúrgica dos tumores, explicaram.

O sistema é apenas um começo. A tinta Sono ainda não foi testada dentro de um corpo vivo e pode desencadear efeitos tóxicos. E embora o ultrassom seja geralmente seguro, a estimulação pode aumentar a pressão das ondas sonoras e aquecer os tecidos até 158 graus Fahrenheit muito quentinhos. Para Yao e Shapiro, esses desafios podem orientar a tecnologia.

A capacidade de imprimir rapidamente materiais 3D suaves abre as portas para novas interfaces corpo-máquina. Patches de órgãos com componentes eletrônicos incorporados poderiam apoiar cuidados de longo prazo para pessoas com doenças cardíacas crônicas. O ultrassom também pode estimular a regeneração de tecidos em partes mais profundas do corpo sem cirurgia invasiva.

Deixando de lado as aplicações biomédicas, a sono-ink pode até causar impacto em nosso mundo cotidiano. Os calçados impressos em 3D, por exemplo, já entraram no mercado. É possível que “os tênis de corrida do futuro possam ser impressos com o mesmo método acústico que repara ossos”, escreveram Yao e Shapiro.

Crédito da imagem: Alex Sanchez, Duke University; Junjie Yao, Universidade Duke; Y. Shrike Zhang, Faculdade de Medicina de Harvard

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