เครื่องพิมพ์ 3 มิติอัลตราโซนิกสามารถซ่อมแซมอวัยวะในร่างกายได้ภายในวันเดียวโดยไม่ต้องผ่าตัด

เครื่องพิมพ์ 3 มิติอัลตราโซนิกสามารถซ่อมแซมอวัยวะในร่างกายได้ภายในวันเดียวโดยไม่ต้องผ่าตัด

ประทับเวลา: 11 ธันวาคม 2023 5:35 น.
เครื่องพิมพ์ 3 มิติอัลตราโซนิกสามารถซ่อมแซมอวัยวะในร่างกายได้ภายในวันเดียวโดยไม่ต้องผ่าตัด PlatoBlockchain Data Intelligence ค้นหาแนวตั้ง AI.

ขาไก่สดจากฟาร์มชิ้นโตวางอยู่บนพื้นสะอาดที่ Harvard Medical School ผิวหนังและกระดูกด้านใน มันถูกหั่นอย่างแม่นยำจนกระดูกแทบไม่แตก

แขนหุ่นยนต์หักเลี้ยว สแกนรอยแตก และฉีดส่วนผสมที่เป็นของเหลวลงในรอยแตกอย่างระมัดระวัง ซึ่งรวมถึงบางส่วนที่แยกได้จากสาหร่ายด้วย ด้วยอัลตราซาวนด์หลายจังหวะ ของเหลวก็แข็งตัวเป็นวัสดุคล้ายกระดูกและปิดรอยร้าวไว้

นี่ไม่ใช่การแสดงอาหารค่ำแบบเปรี้ยวจี๊ด แต่เป็นการทดลองเชิงนวัตกรรมเพื่อดูว่าวันหนึ่งสามารถใช้อัลตราซาวนด์กับการปลูกถ่ายการพิมพ์ 3 มิติภายในร่างกายของเราโดยตรงได้หรือไม่

นำโดย Dr. Yu Shrike Zhang จาก Brigham and Women's Hospital และ Harvard Medical School ผลการศึกษาล่าสุด ผสมผสานคุณสมบัติเฉพาะของอัลตราซาวนด์และการพิมพ์ 3 มิติเพื่อซ่อมแซมเนื้อเยื่อที่เสียหาย หัวใจของเทคโนโลยีนี้คือส่วนผสมของสารเคมีที่เจลเพื่อตอบสนองต่อคลื่นโซนิค ซึ่งเป็นส่วนผสมที่เรียกว่า "หมึกโซโน"

ในการทดสอบครั้งหนึ่ง ทีมงาน 3D พิมพ์รูปร่างกระดูกการ์ตูนภายในชิ้นเนื้อหมูสามชั้นที่แยกออกมาได้ โดยอัลตราซาวนด์สามารถเจาะชั้นผิวหนังไขมันและเนื้อเยื่อได้อย่างง่ายดาย เทคโนโลยีนี้ยังสร้างโครงสร้างคล้ายรังผึ้งภายในตับหมูที่แยกได้ และทำให้เกิดรูปหัวใจในไต

อาจฟังดูน่าขยะแขยง แต่เป้าหมายไม่ใช่การพิมพ์อิโมจิแบบ 3 มิติภายในเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต แต่วันหนึ่งแพทย์อาจใช้อัลตราซาวนด์และโซโนหมึกเพื่อซ่อมแซมอวัยวะที่เสียหายภายในร่างกายโดยตรงแทนการผ่าตัดที่รุกราน

เพื่อเป็นการพิสูจน์แนวคิด ทีมงานได้ใช้หมึกโซโนเพื่อซ่อมแซมส่วนที่แตกหักของหัวใจแพะที่แยกออกมา หลังจากอัลตราซาวนด์เพียงไม่กี่ครั้ง แผ่นแปะที่เกิดเจลและประกบกันอย่างแนบเนียนกับเนื้อเยื่อหัวใจโดยรอบ กลายเป็นผ้าพันแผลที่ยืดออกได้ทางชีวภาพและเข้ากันได้ทางชีวภาพ

การทดสอบอีกครั้งหนึ่งได้โหลดโซโน-อิงค์ด้วยยาเคมีบำบัด และฉีดส่วนผสมเข้าไปในตับที่เสียหาย ภายในไม่กี่นาที หมึกจะปล่อยยาไปยังบริเวณที่ได้รับบาดเจ็บ ขณะเดียวกันก็ช่วยรักษาเซลล์รอบๆ ที่มีสุขภาพดีส่วนใหญ่ไว้ได้

เทคโนโลยีนี้นำเสนอวิธีการแปลงการผ่าตัดแบบเปิดเป็นการรักษาที่มีการรุกรานน้อยกว่า เขียน ดร. Yuxing Yao และ Mikhail Shapiro จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาวิจัยนี้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อพิมพ์ส่วนต่อประสานระหว่างร่างกายกับเครื่องจักรที่ตอบสนองต่ออัลตราซาวนด์ สร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นสำหรับการบาดเจ็บที่หัวใจ หรือส่งยาต้านมะเร็งอย่างมีประสิทธิภาพตรงไปยังแหล่งที่มาหลังการผ่าตัดเพื่อจำกัดผลข้างเคียง

“เรายังห่างไกลจากการนำเครื่องมือนี้เข้าสู่คลินิก แต่การทดสอบเหล่านี้ยืนยันถึงศักยภาพของเทคโนโลยีนี้อีกครั้ง” กล่าวว่า จาง. “เรารู้สึกตื่นเต้นมากที่ได้เห็นว่าจะไปได้ไกลจากที่นี่”

จากแสงสู่เสียง

ด้วยความสามารถรอบด้าน การพิมพ์ 3 มิติจึงได้ดึงดูดจินตนาการของวิศวกรชีวภาพเมื่อพูดถึงเรื่องนี้ การสร้างชิ้นส่วนทางชีวภาพเทียม-ตัวอย่างเช่น, ขดลวด สำหรับโรคหัวใจที่คุกคามถึงชีวิต

กระบวนการนี้มักจะวนซ้ำ เครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท 3 มิติ คล้ายกับเครื่องพิมพ์ในสำนักงาน พ่นเป็นชั้นบางๆ และ "รักษา" ด้วยแสง สิ่งนี้จะทำให้หมึกเหลวแข็งตัว จากนั้นเครื่องพิมพ์จะสร้างโครงสร้างทั้งหมดทีละชั้น แต่แสงสามารถส่องสว่างเฉพาะพื้นผิวของวัสดุหลายชนิดเท่านั้น ทำให้เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างโครงสร้าง 3 มิติที่พิมพ์เต็มรูปแบบด้วยการระเบิดเพียงครั้งเดียว

การศึกษาครั้งใหม่นี้หันมาใช้การพิมพ์แบบปริมาตร โดยที่เครื่องพิมพ์จะฉายแสงลงในเรซินเหลวในปริมาณหนึ่ง ซึ่งจะทำให้เรซินแข็งตัวลงในโครงสร้างของวัตถุ และแน่นอนว่าวัตถุนั้นถูกสร้างขึ้นทั้งหมด

กระบวนการนี้เร็วกว่ามากและสร้างวัตถุที่มีพื้นผิวเรียบกว่าการพิมพ์ 3 มิติแบบเดิม แต่มันถูกจำกัดด้วยว่าแสงจะส่องผ่านหมึกและวัสดุโดยรอบได้ไกลแค่ไหน เช่น ผิวหนัง กล้ามเนื้อ และเนื้อเยื่ออื่นๆ

นี่คือที่มาของอัลตราซาวนด์ อัลตราซาวนด์ในระดับต่ำเป็นที่รู้จักกันดีในด้านการดูแลมารดา โดยสามารถทะลุผ่านชั้นทึบแสง เช่น ผิวหนังหรือกล้ามเนื้อได้โดยไม่เป็นอันตราย นักวิจัยกำลังสำรวจเทคโนโลยีนี้ที่เรียกว่าอัลตราซาวนด์โฟกัสเพื่อติดตามและกระตุ้นสมองและเนื้อเยื่ออื่นๆ

มันมีข้อเสีย คลื่นเสียงจะเบลอเมื่อเดินทางผ่านของเหลวซึ่งมีอยู่มากมายในร่างกายของเรา เมื่อใช้กับโครงสร้างการพิมพ์ 3 มิติ คลื่นเสียงสามารถสร้างสิ่งที่น่ารังเกียจจากการออกแบบดั้งเดิมได้ ในการสร้างเครื่องพิมพ์ 3D แบบอะคูสติก ขั้นตอนแรกคือการออกแบบหมึกใหม่

สูตรเสียง

ทีมงานได้ทดลองการออกแบบหมึกที่สามารถรักษาด้วยอัลตราซาวนด์ได้เป็นครั้งแรก สูตรที่พวกเขาคิดขึ้นมาคือซุปโมเลกุล บางชนิดแข็งตัวเมื่อถูกความร้อน บ้างก็ดูดซับคลื่นเสียง

หมึกโซโนจะเปลี่ยนเป็นเจลในเวลาเพียงไม่กี่นาทีหลังจากคลื่นอัลตราซาวนด์

กระบวนการนี้ขับเคลื่อนได้ด้วยตัวเอง Yao และ Shapiro อธิบาย อัลตราซาวนด์จะกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีที่สร้างความร้อนซึ่งถูกดูดซึมเข้าสู่เจลและเร่งวงจร เนื่องจากแหล่งกำเนิดอัลตราซาวนด์ถูกควบคุมโดยแขนหุ่นยนต์ คุณจึงสามารถโฟกัสคลื่นเสียงไปที่ความละเอียดหนึ่งมิลลิเมตร ซึ่งหนากว่าบัตรเครดิตทั่วไปของคุณเล็กน้อย

ทีมงานได้ทดสอบสูตรหมึกโซโนอิงค์หลายสูตรและโครงสร้างเรียบง่ายที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ เช่น เกียร์สามชิ้นหลากสีและโครงสร้างเรืองแสงในที่มืดที่มีลักษณะคล้ายหลอดเลือด สิ่งนี้ช่วยให้ทีมงานตรวจสอบขีดจำกัดของระบบและสำรวจการใช้งานที่เป็นไปได้ เช่น อุปกรณ์ฝังที่พิมพ์ด้วยฟลูออเรสเซนต์จากการพิมพ์ 3 มิติ สามารถติดตามภายในร่างกายได้ง่ายกว่า

เสียงความสำเร็จ

ต่อมาทีมก็หันไปหาอวัยวะที่แยกออกจากกัน

ในการทดสอบครั้งหนึ่ง พวกเขาฉีดโซโนอิงค์เข้าไปในหัวใจแพะที่เสียหาย สภาพที่คล้ายกันในมนุษย์อาจทำให้เกิดลิ่มเลือดและหัวใจวายถึงตายได้ การรักษาโดยทั่วไปคือการผ่าตัดหัวใจแบบเปิด

ทีมงานได้ฉีด sono-ink เข้าไปในหัวใจแพะโดยตรงผ่านทางหลอดเลือด ด้วยพัลส์อัลตราซาวนด์ที่โฟกัสอย่างแม่นยำ หมึกเจลจะช่วยปกป้องบริเวณที่เสียหาย โดยไม่ทำอันตรายต่อส่วนข้างเคียง และเชื่อมต่อกับเนื้อเยื่อของหัวใจ

ในการทดสอบอีกครั้ง พวกเขาฉีดหมึกเข้าไปในกระดูกขาไก่ที่หัก และสร้างกระดูกขึ้นใหม่ “โดยมีความผูกพันกับชิ้นส่วนพื้นเมืองอย่างไร้รอยต่อ” ผู้เขียนเขียน

ในการทดสอบครั้งที่ XNUMX พวกเขาผสมด็อกโซรูบิซิน ซึ่งเป็นยาเคมีบำบัดที่มักใช้รักษามะเร็งเต้านม ลงในโซโนอิงค์ และฉีดเข้าไปในส่วนที่เสียหายของตับหมู ด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์ หมึกจะตกลงในบริเวณที่เสียหาย และค่อยๆ ปล่อยยาเข้าสู่ตับในสัปดาห์หน้า ทีมงานคิดว่าวิธีนี้สามารถช่วยปรับปรุงการรักษามะเร็งหลังการผ่าตัดเอาเนื้องอกออกได้

ระบบเป็นเพียงการเริ่มต้น Sono-ink ยังไม่มีการทดสอบภายในร่างกายที่มีชีวิต และอาจทำให้เกิดพิษได้ แม้ว่าอัลตราซาวนด์โดยทั่วไปจะปลอดภัย แต่การกระตุ้นอาจเพิ่มความดันคลื่นเสียงและเนื้อเยื่อความร้อนได้สูงถึง 158 องศาฟาเรนไฮต์ สำหรับ Yao และ Shapiro ความท้าทายเหล่านี้สามารถชี้นำเทคโนโลยีได้

ความสามารถในการพิมพ์วัสดุ 3D แบบอ่อนได้อย่างรวดเร็วเปิดประตูสู่อินเทอร์เฟซใหม่ของตัวถังและเครื่องจักร แผ่นแปะอวัยวะที่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ฝังอยู่สามารถช่วยดูแลผู้ป่วยโรคหัวใจเรื้อรังในระยะยาวได้ อัลตราซาวด์สามารถกระตุ้นการสร้างเนื้อเยื่อในส่วนลึกของร่างกายได้โดยไม่ต้องผ่าตัด

นอกเหนือจากการใช้งานด้านชีวการแพทย์แล้ว sono-ink ยังอาจสร้างความกระอักกระอ่วนให้กับเราอีกด้วย โลกทุกวัน. ตัวอย่างเช่น รองเท้าที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ได้เข้าสู่ตลาดแล้ว เป็นไปได้ว่า “รองเท้าวิ่งแห่งอนาคตสามารถพิมพ์ด้วยวิธีอะคูสติกแบบเดียวกับที่ใช้ซ่อมแซมกระดูกได้” เหยาและชาปิโรเขียน

เครดิตรูปภาพ: Alex Sanchez, มหาวิทยาลัย Duke; จุนจี เหยา มหาวิทยาลัยดุ๊ก; Y. Shrike Zhang, โรงเรียนแพทย์ฮาร์วาร์ด

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์