Ультразвуковой 3D-принтер однажды сможет восстанавливать органы тела без хирургического вмешательства

Пухлый кусок свежей куриной ножки, выращенной на ферме, лежал на чистой поверхности в Гарвардской медицинской школе. С кожей и костями, он был нарезан точно так, чтобы кость едва треснула.

Рука робота наклонилась, просканировала обломок и осторожно ввела в трещину жидкий коктейль из ингредиентов, в том числе выделенных из морских водорослей. Под действием нескольких импульсов ультразвука жидкость затвердела, превратившись в материал, похожий на кость, и запечатала перелом.

Это не было авангардное обеденное шоу. Скорее, это был инновационный эксперимент, целью которого было выяснить, можно ли однажды использовать ультразвук для 3D-печати имплантатов непосредственно внутри нашего тела.

Под руководством доктора Ю Шрайка Чжана в Женской больнице имени Бригама и Гарвардской медицинской школе Недавнее исследование объединили уникальные свойства ультразвука и 3D-печати для восстановления поврежденных тканей. В основе технологии лежит смесь химических веществ, образующих гель под действием звуковых волн, — смесь, получившая название «соно-чернила».

В ходе одного из испытаний команда напечатала в 3D мультяшную форму кости внутри огромного куска изолированной свиной грудинки, при этом ультразвук легко проникал через слои жировой кожи и тканей. Эта технология также позволила создать структуры, похожие на улей, внутри изолированной свиной печени и сердце в почках.

Это может звучать жутко, но цель не в том, чтобы напечатать смайлы на 3D-принтере внутри живых тканей. Скорее, однажды врачи смогут использовать ультразвук и соночернила для прямого восстановления поврежденных органов внутри тела в качестве альтернативы инвазивной хирургии.

В качестве доказательства концепции команда использовала соно-чернила для восстановления сломанной области изолированного сердца козла. После нескольких импульсов ультразвука полученный пластырь превратился в гель и плавно сцепился с окружающей тканью сердца, по сути превратившись в биосовместимую, растягивающуюся повязку.

В ходе другого испытания соно-чернила были загружены химиотерапевтическим препаратом и введена смесь в поврежденную печень. Через несколько минут чернила высвободили лекарство в поврежденные участки, сохранив при этом большую часть здоровых окружающих клеток.

Технология предлагает способ преобразования открытых операций в менее инвазивные методы лечения. писал Доктора. Юсин Яо и Михаил Шапиро из Калифорнийского технологического института, не принимавшие участия в исследовании. Его также можно использовать для печати интерфейсов тело-машина, которые реагируют на ультразвук, для изготовления гибкой электроники для лечения травм сердца или для эффективной доставки противораковых лекарств прямо к источнику после операции, чтобы ограничить побочные эффекты.

«Мы еще далеки от внедрения этого инструмента в клинику, но эти испытания подтвердили потенциал этой технологии», — сказал Чжан. «Мы очень рады видеть, куда это может пойти дальше».

От света к звуку

Благодаря своей универсальности 3D-печать захватила воображение биоинженеров, когда дело доходит до создание искусственных биологических частей-Например, стенты для опасных для жизни заболеваний сердца.

Процесс обычно итерационный. Струйный 3D-принтер, похожий на офисный принтер, распыляет тонкий слой и «отверждает» его светом. При этом жидкие чернила затвердевают, а затем принтер слой за слоем строит целую структуру. Однако свет может освещать только поверхность многих материалов, что делает невозможным создание полностью напечатанной 3D-структуры одним ударом.

Новое исследование обратилось к объемной печати, при которой принтер проецирует свет на объем жидкой смолы, закрепляя смолу в структуре объекта — и вуаля, объект построен целиком.

Этот процесс намного быстрее и позволяет создавать объекты с более гладкими поверхностями, чем традиционная 3D-печать. Но оно ограничено тем, насколько далеко свет может проникать через чернила и окружающий материал, например, кожу, мышцы и другие ткани.

Вот тут-то и приходит на помощь ультразвук. Самый известный в области заботы о материнстве, ультразвук низкого уровня легко проникает в непрозрачные слои, такие как кожа или мышцы, без вреда. Исследователи изучают технологию, позволяющую контролировать и стимулировать мозг и другие ткани, получившую название «фокусированный ультразвук».

У него есть недостатки. Звуковые волны размываются при прохождении через жидкости, которых много в нашем организме. Звуковые волны, используемые для 3D-печати структур, могут создавать мерзость оригинального дизайна. Первым шагом для создания акустического 3D-принтера было изменение конструкции чернил.

Хороший рецепт

Команда сначала экспериментировала с рисунками чернил, которые отверждаются ультразвуком. Рецепт, который они придумали, представляет собой суп из молекул. Некоторые затвердевают при нагревании; другие поглощают звуковые волны.

Соно-чернила превращаются в гель всего за несколько минут после воздействия ультразвука.

Этот процесс является самодвижущимся, объяснили Яо и Шапиро. Ультразвук запускает химическую реакцию, которая генерирует тепло, которое поглощается гелем и ускоряет цикл. Поскольку источником ультразвука управляет роботизированная рука, можно сфокусировать звуковые волны с разрешением в один миллиметр — немного толще, чем обычная кредитная карта.

Команда протестировала несколько рецептов соно-чернил и напечатала на 3D-принтере простые структуры, такие как разноцветная шестеренка из трех частей и светящиеся в темноте структуры, напоминающие кровеносные сосуды. Это помогло команде изучить пределы системы и изучить потенциальные возможности ее использования: например, флуоресцентный имплантат, напечатанный на 3D-принтере, можно было бы легче отслеживать внутри тела.

Уверенный успех

Затем команда обратилась к изолированным органам.

В одном из экспериментов они ввели соно-чернила в поврежденное сердце козы. Подобное состояние у человека может привести к смертельным тромбам и сердечным приступам. Распространенным методом лечения является операция на открытом сердце.

Здесь команда ввела соно-чернила прямо в сердце козла через кровеносные сосуды. Благодаря точно сфокусированным ультразвуковым импульсам чернила загущаются, защищая поврежденную область, не повреждая соседние части, и соединяются с собственными тканями сердца.

В другом тесте они ввели чернила в перелом кости куриной ноги и реконструировали кость «с бесшовным соединением с нативными частями», пишут авторы.

В третьем тесте они смешали доксорубицин, химиотерапевтический препарат, часто используемый при раке молочной железы, с соно-чернилами и ввели его в поврежденные части свиной печени. Под действием ультразвука чернила проникли в поврежденные участки и в течение следующей недели постепенно высвободили лекарство в печень. Команда считает, что этот метод может помочь улучшить лечение рака после хирургического удаления опухолей, объяснили они.

Система — это только начало. Соно-чернила еще не тестировались на живом организме, и они могут вызывать токсические эффекты. И хотя ультразвук в целом безопасен, стимуляция может увеличить давление звуковых волн и нагреть ткани до очень высоких 158 градусов по Фаренгейту. По мнению Яо и Шапиро, эти проблемы могут направить развитие технологии.

Возможность быстрой печати мягких 3D-материалов открывает двери для новых интерфейсов «тело-машина». Пластыри для органов со встроенной электроникой могут обеспечить долгосрочный уход за людьми с хроническими заболеваниями сердца. Ультразвук также может ускорить регенерацию тканей в более глубоких частях тела без инвазивного хирургического вмешательства.

Помимо биомедицинских применений, sono-ink может даже произвести фурор в нашей повседневный мир. Например, на рынок уже вышла обувь, напечатанная на 3D-принтере. Возможно, «кроссовки будущего смогут быть напечатаны тем же акустическим методом, который используется для восстановления костей», — пишут Яо и Шапиро.

Изображение предоставлено: Алекс Санчес, Университет Дьюка; Цзюньцзе Яо, Университет Дьюка; Ю. Шрайк Чжан, Гарвардская медицинская школа

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/12/11/ultrasonic-3d-printer-could-one-day-help-repair-organs-in-the-body-without-surgery/