Ultrazvočni 3D-tiskalnik bi lahko nekega dne popravil organe v telesu brez operacije

Debel kos svežega piščančjega kraka je počival na neokrnjeni površini na Harvard Medical School. S kožo in kostmi je bil natančno narezan, da je kost komaj počila.

Robotska roka je zavila, pregledala razpoko in previdno vbrizgala tekoči koktajl sestavin v razpoko, vključno z nekaterimi iz morskih alg. Z več ultrazvočnimi impulzi se je tekočina strdila v kosti podoben material in zatesnila zlom.

To ni bila avantgardna večerna predstava. Namesto tega je šlo za inovativen poskus, da bi ugotovili, ali bo ultrazvok nekega dne mogoče uporabiti za 3D-tiskanje vsadkov neposredno v našem telesu.

Pod vodstvom dr. Yu Shrike Zhang iz Brigham and Women's Hospital in Harvard Medical School, Nedavna študija združil edinstvene lastnosti ultrazvoka in 3D tiskanja za popravilo poškodovanega tkiva. Srce tehnologije je mešanica kemikalij, ki gelirajo kot odziv na zvočne valove – mešanica, imenovana »sono-črnilo«.

V enem preizkusu je ekipa 3D natisnila risano obliko kosti znotraj velikega kosa izoliranega svinjskega trebuha, pri čemer je ultrazvok zlahka prodrl skozi plasti maščobne kože in tkiva. Tehnologija je v izoliranih svinjskih jetrih ustvarila tudi strukture, podobne panju, in obliko srca v ledvicah.

Morda se sliši grozljivo, vendar cilj ni 3D-tiskanje emojijev v živo tkivo. Namesto tega bodo zdravniki nekega dne morda uporabili ultrazvok in sono-črnilo za neposredno popravilo poškodovanih organov v telesu kot alternativo invazivni kirurgiji.

Kot dokaz koncepta je ekipa uporabila sono-črnilo za popravilo zlomljenega področja izoliranega kozjega srca. Po nekaj ultrazvočnih udarcih je nastali obliž želatiral in se brezhibno povezal z okoliškim srčnim tkivom ter v bistvu postal biokompatibilen, raztegljiv povoj.

Drugi test je sono-črnilo naložil s kemoterapevtskim zdravilom in zvarek vbrizgal v poškodovana jetra. V nekaj minutah je črnilo sprostilo zdravilo na poškodovana področja in prihranilo večino zdravih okoliških celic.

Tehnologija ponuja način pretvorbe odprtih operacij v manj invazivne tretmaje, Napisal dr. Yuxing Yao in Mikhail Shapiro s Kalifornijskega tehnološkega inštituta, ki nista sodelovala v študiji. Lahko bi ga uporabili tudi za tiskanje vmesnikov telo-stroj, ki se odzivajo na ultrazvok, izdelavo prilagodljive elektronike za poškodbe srca ali učinkovito dostavo zdravil proti raku naravnost do vira po operaciji, da bi omejili stranske učinke.

"Še vedno smo daleč od tega, da bi to orodje uvedli v klinike, vendar so ti testi ponovno potrdili potencial te tehnologije," je dejal Zhang. "Zelo smo navdušeni, da vidimo, kam lahko gremo od tukaj."

Od svetlobe do zvoka

Zahvaljujoč svoji vsestranskosti je 3D-tiskanje prevzelo domišljijo bioinženirjev, ko gre za izdelava umetnih bioloških delov— na primer, stenti za življenjsko nevarne bolezni srca.

Postopek je običajno iterativen. Brizgalni 3D tiskalnik – podoben pisarniškemu tiskalniku – razprši tanko plast in jo »ozdravi« s svetlobo. To strdi tekoče črnilo in nato plast za plastjo tiskalnik zgradi celotno strukturo. Vendar lahko svetloba osvetli samo površino številnih materialov, zaradi česar je nemogoče ustvariti popolnoma natisnjeno 3D strukturo z enim udarom.

Nova študija se je obrnila na volumetrično tiskanje, kjer tiskalnik projicira svetlobo v prostornino tekoče smole, utrjuje smolo v strukturo predmeta – in voilà, predmet je zgrajen cel.

Postopek je veliko hitrejši in proizvaja predmete z bolj gladkimi površinami kot tradicionalno 3D tiskanje. Vendar je omejeno s tem, kako daleč lahko svetloba posije skozi črnilo in okoliški material – na primer kožo, mišice in druga tkiva.

Tukaj nastopi ultrazvok. Najbolj znan po skrbi za mater, nizke ravni ultrazvoka zlahka prodrejo skozi neprozorne plasti, kot so koža ali mišice, brez škode. Raziskovalci, imenovani fokusirani ultrazvok, raziskujejo tehnologijo za spremljanje in stimulacijo možganov in drugih tkiv.

Ima pomanjkljivosti. Zvočni valovi se zameglijo, ko potujejo skozi tekočine, ki jih je v našem telesu veliko. Zvočni valovi, ki se uporabljajo za 3D tiskanje struktur, lahko povzročijo gnusobo prvotne zasnove. Pri izdelavi akustičnega 3D-tiskalnika je bil prvi korak preoblikovanje črnila.

Zvočen recept

Ekipa je najprej eksperimentirala z modeli črnila, ki se strjujejo z ultrazvokom. Recept, ki so ga iznašli, je juha iz molekul. Nekateri se pri segrevanju strdijo; drugi absorbirajo zvočne valove.

Sono-črnilo se po ultrazvočnih impulzih v samo nekaj minutah spremeni v gel.

Proces je samopogonski, sta pojasnila Yao in Shapiro. Ultrazvok sproži kemično reakcijo, ki ustvarja toploto, ki se absorbira v gel in pospeši cikel. Ker vir ultrazvoka nadzira robotska roka, je mogoče zvočne valove izostriti na ločljivost enega milimetra – kar je nekoliko debelejše od vaše povprečne kreditne kartice.

Skupina je preizkusila več receptov sono-črnila in 3D-natisnjenih preprostih struktur, kot je večbarvno tridelno orodje in strukture, ki se svetijo v temi, ki spominjajo na krvne žile. To je ekipi pomagalo raziskati meje sistema in raziskati možne uporabe: fluorescentnemu 3D-natisnjenemu vsadku bi bilo na primer lažje slediti znotraj telesa.

Zvočni uspeh

Ekipa se je nato obrnila na izolirane organe.

V enem testu so v poškodovano kozje srce vbrizgali sono-črnilo. Podobno stanje pri ljudeh lahko povzroči smrtonosne krvne strdke in srčne napade. Običajno zdravljenje je operacija na odprtem srcu.

Tukaj je ekipa vbrizgala sono-črnilo neposredno v kozje srce skozi krvne žile. Z natančno usmerjenimi ultrazvočnimi impulzi se črnilo želira, da zaščiti poškodovano območje – ne da bi poškodovalo sosednje dele – in se poveže z lastnimi tkivi srca.

V drugem testu so vbrizgali črnilo v zlom kosti piščančjega kraka in rekonstruirali kost "z brezšivno povezavo z domačimi deli", so zapisali avtorji.

V tretjem testu so v sono-črnilo zmešali doksorubicin, kemoterapevtsko zdravilo, ki se pogosto uporablja pri raku dojke, in ga vbrizgali v poškodovane dele svinjskih jeter. Z udarci ultrazvoka se je črnilo usedlo v poškodovana področja in v naslednjem tednu postopoma sproščalo zdravilo v jetra. Ekipa meni, da bi ta metoda lahko pomagala izboljšati zdravljenje raka po kirurški odstranitvi tumorjev, so pojasnili.

Sistem je šele začetek. Sono-črnilo še ni bilo preizkušeno znotraj živega telesa in bi lahko sprožilo strupene učinke. In čeprav je ultrazvok na splošno varen, lahko stimulacija poveča pritisk zvočnih valov in segreje tkiva do zelo vročih 158 stopinj Fahrenheita. Za Yao in Shapiro lahko ti izzivi vodijo tehnologijo.

Zmožnost hitrega tiskanja mehkih 3D materialov odpira vrata novim vmesnikom telo-stroj. Obliži za organe z vgrajeno elektroniko bi lahko podpirali dolgotrajno oskrbo ljudi s kronično boleznijo srca. Ultrazvok bi lahko spodbudil tudi regeneracijo tkiva v globljih delih telesa brez invazivnih operacij.

Če ne upoštevamo biomedicinskih aplikacij, bi sono-črnilo lahko celo naredilo pljusk v našem vsakdanji svet. Na trg so na primer že prišli 3D-tiskani čevlji. Možno je, da bi "tekaške copate prihodnosti lahko natisnili z isto akustično metodo, ki popravlja kosti," sta zapisala Yao in Shapiro.

Avtorstvo slike: Alex Sanchez, Univerza Duke; Junjie Yao, Univerza Duke; Y. Shrike Zhang, Harvard Medical School

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2023/12/11/ultrasonic-3d-printer-could-one-day-help-repair-organs-in-the-body-without-surgery/