Imprimanta 3D cu ultrasunete ar putea repara într-o zi organele din corp fără intervenție chirurgicală

Imprimanta 3D cu ultrasunete ar putea repara într-o zi organele din corp fără intervenție chirurgicală

Marca temporală: 11 decembrie 2023, ora 5:35
Imprimanta 3D cu ultrasunete ar putea repara într-o zi organele din corp fără intervenție chirurgicală PlatoBlockchain Data Intelligence. Căutare verticală. Ai.

O bucată groasă de pulpă de pui proaspătă de fermă a stat pe o suprafață curată la Harvard Medical School. Pielea și dezosată, a fost tăiată precis pentru a sparge osul.

Un braț de robot a ocolit, a scanat spargerea și a injectat cu grijă un cocktail lichid de ingrediente în crăpătură, inclusiv unele izolate din alge marine. Cu mai multe impulsuri de ultrasunete, lichidul s-a întărit într-un material asemănător osului și a sigilat fractura.

Acesta nu a fost un spectacol de cină de avangardă. Mai degrabă, a fost un experiment inovator pentru a vedea dacă ultrasunetele pot fi folosite într-o zi pentru a imprima implanturi 3D direct în corpul nostru.

Condus de Dr. Yu Shrike Zhang de la Brigham and Women's Hospital și Harvard Medical School, a studiu recent a combinat proprietățile unice ale ultrasunetelor și ale imprimării 3D pentru a repara țesutul deteriorat. În centrul tehnologiei se află un amestec de substanțe chimice care se gelifică ca răspuns la undele sonice - un amestec numit „cerneală sonoră”.

Într-un test, echipa a imprimat 3D o formă de os de desene animate în interiorul unei bucăți consistente de burtă izolată de porc, ultrasunetele pătrunzând cu ușurință în straturile de piele și țesut gras. Tehnologia a creat, de asemenea, structuri asemănătoare unui stup în interiorul ficatului de porc izolat și o formă de inimă în rinichi.

Poate suna macabru, dar scopul nu este de a imprima emoji-uri 3D în interiorul țesutului viu. Mai degrabă, medicii pot folosi într-o zi ultrasunetele și cerneala sonoră pentru a repara direct organele deteriorate din interiorul corpului, ca alternativă la chirurgia invazivă.

Ca dovadă a conceptului, echipa a folosit cerneală sonoră pentru a repara o regiune ruptă a unei inimi izolate de capră. După câteva explozii de ultrasunete, plasturele rezultat s-a gelificat și s-a îmbinat perfect cu țesutul inimii din jur, devenind în esență un bandaj biocompatibil și extensibil.

Un alt test a încărcat cerneala sonoră cu un medicament pentru chimioterapie și a injectat amestecul într-un ficat afectat. În câteva minute, cerneala a eliberat medicamentul în zonele rănite, scutând în același timp majoritatea celulelor sănătoase din jur.

Tehnologia oferă o modalitate de a transforma operațiile deschise în tratamente mai puțin invazive, scris Dr. Yuxing Yao și Mikhail Shapiro de la Institutul de Tehnologie din California, care nu au fost implicați în studiu. De asemenea, ar putea fi folosit pentru a imprima interfețe corp-mașină care răspund la ultrasunete, pentru a face electronice flexibile pentru leziunile cardiace sau pentru a livra eficient medicamente anticancer direct la sursă după intervenție chirurgicală pentru a limita efectele secundare.

„Suntem încă departe de a aduce acest instrument în clinică, dar aceste teste au reafirmat potențialul acestei tehnologii”, a spus Zhang. „Suntem foarte încântați să vedem unde se poate ajunge de aici.”

De la lumină la sunet

Datorită versatilității sale, imprimarea 3D a captat imaginația bioinginerilor atunci când vine vorba de construirea de piese biologice artificiale-de exemplu, stenturi pentru bolile cardiace care pun viața în pericol.

Procesul este de obicei iterativ. O imprimantă 3D cu jet de cerneală, asemănătoare cu o imprimantă de birou, pulverizează un strat subțire și îl „întărește” cu lumină. Aceasta solidifică cerneala lichidă și apoi, strat cu strat, imprimanta construiește o întreagă structură. Cu toate acestea, lumina poate ilumina doar suprafața multor materiale, ceea ce face imposibilă generarea unei structuri 3D complet imprimate cu o singură explozie.

Noul studiu s-a orientat către imprimarea volumetrică, în care o imprimantă proiectează lumina într-un volum de rășină lichidă, solidificând rășina în structura obiectului - și voilà, obiectul este construit întreg.

Procesul este mult mai rapid și produce obiecte cu suprafețe mai netede decât printarea 3D tradițională. Dar este limitat de cât de departe poate străluci lumina prin cerneală și materialul înconjurător, de exemplu, piele, mușchi și alte țesuturi.

Iată unde intervine ultrasunetele. Cel mai bine cunoscut pentru îngrijirea maternă, nivelurile scăzute de ultrasunete pătrund cu ușurință în straturile opace, cum ar fi pielea sau mușchii, fără a vătama. Denumite ultrasunete focalizate, cercetătorii explorează tehnologia de monitorizare și stimulare a creierului și a altor țesuturi.

Are dezavantaje. Undele sonore se estompează atunci când călătoresc prin lichide, care sunt abundente în corpul nostru. Folosite pentru a imprima structuri 3D, undele sonore ar putea genera o abominație a designului original. Pentru a construi o imprimantă 3D acustică, primul pas a fost reproiectarea cernelii.

O rețetă sănătoasă

Echipa a experimentat mai întâi cu modele de cerneală care se vindecă cu ultrasunete. Reteta cu care au venit este o supa de molecule. Unele se solidifică atunci când sunt încălzite; altele absorb undele sonore.

Cerneala sonoră se transformă într-un gel în doar câteva minute după impulsurile ultrasunetelor.

Procesul este autopropulsat, au explicat Yao și Shapiro. Ultrasunetele declanșează o reacție chimică care generează căldură care este absorbită în gel și accelerează ciclul. Deoarece sursa de ultrasunete este controlată de un braț robot, este posibil să focalizați undele sonore la o rezoluție de un milimetru - puțin mai groasă decât cardul dvs. de credit obișnuit.

Echipa a testat mai multe rețete de cerneală sonoră și a imprimat 3D structuri simple, cum ar fi un echipament multicolor din trei piese și structuri care strălucesc în întuneric asemănătoare cu vasele de sânge. Acest lucru a ajutat echipa să cerceteze limitele sistemului și să exploreze posibilele utilizări: un implant fluorescent imprimat 3D, de exemplu, ar putea fi mai ușor de urmărit în interiorul corpului.

Succes sunet

Echipa a apelat apoi la organe izolate.

Într-un test, au injectat cerneală sonoră într-o inimă de capră deteriorată. O condiție similară la oameni poate duce la cheaguri de sânge mortale și atacuri de cord. Tratamentul comun este operația pe cord deschis.

Aici, echipa a infuzat cerneală sonoră direct în inima caprei prin vasele de sânge. Cu impulsuri ultrasunete focalizate precis, cerneala s-a gelificat pentru a proteja regiunea deteriorată - fără a afecta părțile învecinate - și a conectat-o ​​cu țesuturile inimii proprii.

Într-un alt test, ei au injectat cerneala într-o fractură osoasă a piciorului de pui și au reconstruit osul „cu o legătură fără sudură cu părțile native”, au scris autorii.

Într-un al treilea test, au amestecat doxorubicină, un medicament pentru chimioterapie adesea folosit în cancerul de sân, în cerneala sonoră și au injectat-o ​​în părțile deteriorate ale ficatului de porc. Cu explozii de ultrasunete, cerneala s-a instalat în regiunile afectate și a eliberat treptat medicamentul în ficat în săptămâna următoare. Echipa crede că această metodă ar putea ajuta la îmbunătățirea tratamentului cancerului după îndepărtarea chirurgicală a tumorilor, au explicat ei.

Sistemul este doar un început. Cerneala Sono nu a fost încă testată în interiorul unui corp viu și ar putea declanșa efecte toxice. Și în timp ce ultrasunetele sunt în general sigure, stimularea poate crește presiunea undelor sonore și poate încălzi țesuturile până la 158 de grade Fahrenheit. Pentru Yao și Shapiro, aceste provocări pot ghida tehnologia.

Capacitatea de a imprima rapid materiale 3D moi deschide ușa către noi interfețe caroserie-mașină. Plasturi de organe cu electronice încorporate ar putea sprijini îngrijirea pe termen lung pentru persoanele cu boli cronice de inimă. De asemenea, ultrasunetele ar putea stimula regenerarea țesuturilor în părțile mai adânci ale corpului fără intervenții chirurgicale invazive.

Lăsând deoparte aplicațiile biomedicale, cerneala sonoră ar putea chiar să facă o sferă în noi lumea de zi cu zi. Pantofii imprimați 3D, de exemplu, au intrat deja pe piață. Este posibil ca „pantofii de alergare ai viitorului să poată fi imprimați cu aceeași metodă acustică care repara oasele”, au scris Yao și Shapiro.

Credit imagine: Alex Sanchez, Universitatea Duke; Junjie Yao, Universitatea Duke; Y. Shrike Zhang, Facultatea de Medicină din Harvard

Timestamp-ul:

Mai mult de la Singularity Hub