Ультразвуковий 3D-принтер одного дня зможе відновити органи в тілі без хірургічного втручання

Перевидано Платоном

читають: 0

Ультразвуковий 3D-принтер одного разу зможе відновити органи в тілі без хірургічного втручання PlatoBlockchain Data Intelligence. Вертикальний пошук. Ai.

Пухкий шматок свіжої курячої ніжки на фермі лежав на незайманій поверхні в Гарвардській медичній школі. Зі шкірою та кісткою, він був точно нарізаний, щоб кістка ледь тріснула.

Рука робота повернулася, просканувала поломку та обережно впорснула в тріщину рідкий коктейль з інгредієнтів, у тому числі з морських водоростей. За допомогою кількох імпульсів ультразвуку рідина затверділа в матеріал, схожий на кістку, і загерметизувала перелом.

Це не було авангардне обіднє шоу. Швидше, це був інноваційний експеримент, щоб побачити, чи можна одного дня використовувати ультразвук для 3D-друку імплантатів безпосередньо в нашому тілі.

На чолі з доктором Ю Шрайком Чжаном у Бригамській жіночій лікарні та Гарвардській медичній школі Недавнє дослідження поєднав унікальні властивості ультразвуку та 3D-друку для відновлення пошкоджених тканин. В основі технології лежить суміш хімічних речовин, які утворюють гель у відповідь на звукові хвилі, — суміш, що отримала назву «соночорнило».

В одному тесті команда надрукувала 3D мультяшну форму кістки всередині великого шматка ізольованої свинячої живота, ультразвук легко проникав через шари жирової шкіри та тканини. Технологія також створила структури, схожі на бджолині стільники, всередині ізольованої свинячої печінки та форму серця в нирках.

Це може здатися жахливим, але мета полягає не в тому, щоб 3D-друкувати емодзі всередині живої тканини. Навпаки, лікарі одного разу можуть використовувати ультразвук і соно-чорнило для безпосереднього відновлення пошкоджених органів всередині тіла як альтернативу інвазивній хірургії.

На підтвердження концепції команда використала соно-чорнило, щоб відремонтувати пошкоджену ділянку ізольованого серця козла. Після кількох ударів ультразвуком отриманий пластир гелеподібно з’єднався з навколишньою тканиною серця, по суті, ставши біосумісною пов’язкою, що розтягується.

Інший тест завантажив соно-чорнило хіміотерапевтичним препаратом і ввів суміш у пошкоджену печінку. За кілька хвилин чорнило вивільнило препарат у пошкоджені ділянки, зберігаючи при цьому більшість здорових навколишніх клітин.

Технологія пропонує спосіб перетворити відкриті операції на менш інвазивні методи лікування, пише доктора Юсін Яо та Михайло Шапіро з Каліфорнійського технологічного інституту, які не брали участі в дослідженні. Його також можна використовувати для друку інтерфейсів «тіло-машина», які реагують на ультразвук, створення гнучкої електроніки для серцевих травм або ефективної доставки ліків від раку прямо до джерела після операції, щоб зменшити побічні ефекти.

«Ми ще далекі від впровадження цього інструменту в клініку, але ці тести ще раз підтвердили потенціал цієї технології», сказав Чжан. «Ми дуже раді побачити, куди це може піти далі».

Від світла до звуку

Завдяки своїй універсальності 3D-друк завоював уяву біоінженерів, коли справа доходить до створення штучних біологічних частин-наприклад, стенти для небезпечних для життя захворювань серця.

Процес зазвичай повторюється. Струменевий 3D-принтер — схожий на офісний — розпилює тонкий шар і «виліковує» його світлом. Це твердне рідке чорнило, а потім, шар за шаром, принтер створює цілу структуру. Проте світло може висвітлити лише поверхню багатьох матеріалів, що унеможливлює створення повністю надрукованої 3D-структури одним ударом.

Нове дослідження звернулося до об’ємного друку, де принтер проектує світло в об’єм рідкої смоли, затверджуючи смолу в структурі об’єкта — і вуаля, об’єкт побудований цілком.

Процес набагато швидший і створює об’єкти з гладкішими поверхнями, ніж традиційний 3D-друк. Але це обмежено тим, наскільки далеко світло може проходити крізь чорнило та навколишній матеріал, наприклад шкіру, м’язи та інші тканини.

Ось де на допомогу приходить ультразвук. Найбільш відомий у догляді за матерями, низький рівень ультразвуку легко проникає в непрозорі шари, такі як шкіра чи м’язи, без шкоди. Дослідники досліджують технологію, що називається сфокусованим ультразвуком, щоб контролювати та стимулювати мозок та інші тканини.

У нього є недоліки. Звукові хвилі розмиваються під час проходження через рідини, яких багато в нашому тілі. Звукові хвилі, які використовуються для 3D-друку конструкцій, можуть створити огиду оригінального дизайну. Щоб створити акустичний 3D-принтер, першим кроком було переробити чорнило.

Хороший рецепт

Команда вперше експериментувала з чорнилом, яке полімеризується ультразвуком. Рецепт, який вони придумали, — це суп із молекул. Деякі твердіють при нагріванні; інші поглинають звукові хвилі.

Sono-чорнило перетворюється на гель за лічені хвилини після ультразвукових імпульсів.

Яо та Шапіро пояснили, що процес є саморушним. Ультразвук запускає хімічну реакцію, яка генерує тепло, яке поглинається гелем і прискорює цикл. Оскільки джерелом ультразвуку керує роботизована рука, можна сфокусувати звукові хвилі з роздільною здатністю один міліметр — трохи товщиною, ніж ваша середня кредитна картка.

Команда випробувала кілька рецептів соно-чорнила та надрукувала на 3D прості структури, як-от різнокольоровий механізм із трьох частин і структури, що світяться в темряві, схожі на кровоносні судини. Це допомогло команді дослідити межі системи та дослідити потенційні можливості використання: наприклад, флуоресцентний імплантат, надрукований на 3D-друкі, можна було б легше відстежувати всередині тіла.

Звуковий успіх

Потім команда звернулася до ізольованих органів.

В одному тесті вони ввели соночорнило в пошкоджене серце кози. Подібний стан у людини може призвести до смертельних тромбів і серцевих нападів. Загальним лікуванням є операція на відкритому серці.

Тут команда вводила соночорнило безпосередньо в серце кози через кровоносні судини. Завдяки точно сфокусованим ультразвуковим імпульсам чорнило гелеподібно захищає пошкоджену ділянку, не завдаючи шкоди сусіднім частинам, і з’єднується з тканинами серця.

В іншому тесті вони ввели чорнило в перелом кістки курячої ноги і реконструювали кістку «з безшовним з’єднанням з рідними частинами», пишуть автори.

У третьому тесті вони змішали доксорубіцин, хіміотерапевтичний препарат, який часто використовують при раку грудей, у соно-чорнило та ввели його в пошкоджені частини свинячої печінки. За допомогою ультразвукових ударів чорнило осідало на пошкоджених ділянках і протягом наступного тижня поступово вивільняло ліки в печінку. Команда вважає, що цей метод може допомогти покращити лікування раку після хірургічного видалення пухлин, пояснили вони.

Система – це лише початок. Sono-ink ще не тестували в живому тілі, і воно може викликати токсичні ефекти. І хоча ультразвук загалом безпечний, стимуляція може підвищити тиск звукової хвилі та нагріти тканини до 158 градусів за Фаренгейтом. На думку Яо та Шапіро, ці виклики можуть керувати технологією.

Можливість швидкого друку м’яких 3D-матеріалів відкриває двері до нових інтерфейсів «тіло-машина». Пластири для органів із вбудованою електронікою можуть підтримувати тривалий догляд за людьми з хронічними захворюваннями серця. Ультразвук може також стимулювати регенерацію тканин у більш глибоких частинах тіла без інвазивної хірургії.

Крім біомедичних застосувань, Sono-Ink може навіть зробити фурор у нас повсякденний світ. Наприклад, взуття, надруковане 3D, вже вийшло на ринок. Цілком можливо, що «кросівки майбутнього можна буде надрукувати тим самим акустичним методом, який відновлює кістки», — написали Яо та Шапіро.

Автор зображення: Алекс Санчес, Університет Дьюка; Цзюньцзе Яо, Університет Дьюка; Ю. Шрайк Чжан, Гарвардська медична школа