Máy in 3D siêu âm một ngày nào đó có thể sửa chữa các cơ quan trong cơ thể mà không cần phẫu thuật

Máy in 3D siêu âm một ngày nào đó có thể sửa chữa các cơ quan trong cơ thể mà không cần phẫu thuật

Dấu thời gian: ngày 11 tháng 2023 năm 5 35:XNUMX chiều
Máy in 3D siêu âm một ngày nào đó có thể sửa chữa các cơ quan trong cơ thể mà không cần phẫu thuật Trí tuệ dữ liệu PlatoBlockchain. Tìm kiếm dọc. Ái.

Một miếng chân gà tươi ngon tại trang trại nằm trên bề mặt nguyên sơ tại Trường Y Harvard. Ngoài da và xương, nó được cắt một cách chính xác để xương không bị nứt.

Một cánh tay robot chuyển sang, quét vết vỡ và cẩn thận bơm hỗn hợp các thành phần lỏng vào vết nứt, bao gồm một số thành phần được phân lập từ rong biển. Với một số xung siêu âm, chất lỏng cứng lại thành vật liệu giống như xương và bịt kín vết nứt.

Đây không phải là một buổi biểu diễn bữa tối tiên phong. Đúng hơn, đó là một thử nghiệm sáng tạo để xem liệu một ngày nào đó siêu âm có thể được sử dụng để cấy ghép in 3D trực tiếp vào bên trong cơ thể chúng ta hay không.

Được dẫn dắt bởi Tiến sĩ Yu Shrike Zhang tại Bệnh viện Brigham and Women's và Trường Y Harvard, một nghiên cứu gần đây kết hợp các đặc tính độc đáo của siêu âm và in 3D để sửa chữa các mô bị tổn thương. Trọng tâm của công nghệ này là hỗn hợp các hóa chất tạo gel phản ứng với sóng âm – một hỗn hợp được mệnh danh là “mực siêu âm”.

Trong một thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã in 3D hình xương hoạt hình bên trong một miếng thịt bụng lợn khổng lồ, sóng siêu âm dễ dàng xuyên qua các lớp da và mô mỡ. Công nghệ này cũng tạo ra các cấu trúc giống như tổ ong bên trong gan lợn bị cô lập và hình trái tim ở thận.

Nghe có vẻ rùng rợn nhưng mục tiêu không phải là in 3D biểu tượng cảm xúc bên trong mô sống. Thay vào đó, một ngày nào đó các bác sĩ có thể sử dụng siêu âm và mực siêu âm để trực tiếp sửa chữa các cơ quan bị tổn thương bên trong cơ thể như một giải pháp thay thế cho phẫu thuật xâm lấn.

Để chứng minh ý tưởng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng mực siêu âm để sửa chữa vùng bị hỏng của một quả tim dê bị cô lập. Sau vài lần siêu âm, miếng vá thu được sẽ đông lại và liên kết liền mạch với mô tim xung quanh, về cơ bản trở thành một loại băng có thể co giãn, tương thích sinh học.

Một thử nghiệm khác đã nạp thuốc hóa trị vào mực siêu âm và tiêm hỗn hợp này vào lá gan bị tổn thương. Trong vòng vài phút, mực sẽ giải phóng thuốc vào các vùng bị thương, đồng thời loại bỏ hầu hết các tế bào khỏe mạnh xung quanh.

Công nghệ này cung cấp một cách để chuyển đổi các ca phẫu thuật mở thành các phương pháp điều trị ít xâm lấn hơn, đã viết Tiến sĩ. Yuxing Yao và Mikhail Shapiro tại Viện Công nghệ California, những người không tham gia vào nghiên cứu. Nó cũng có thể được sử dụng để in các giao diện cơ thể-máy phản ứng với siêu âm, tạo ra các thiết bị điện tử linh hoạt cho các vết thương ở tim hoặc cung cấp thuốc chống ung thư thẳng đến nguồn sau phẫu thuật một cách hiệu quả để hạn chế tác dụng phụ.

“Chúng tôi vẫn còn lâu mới đưa công cụ này vào phòng khám, nhưng những thử nghiệm này đã khẳng định lại tiềm năng của công nghệ này,” nói Trương. “Chúng tôi rất vui mừng muốn biết nó có thể đi đến đâu từ đây.”

Từ ánh sáng đến âm thanh

Nhờ tính linh hoạt của nó, in 3D đã thu hút trí tưởng tượng của các kỹ sư sinh học khi nói đến xây dựng các bộ phận sinh học nhân tạo-Ví dụ, stent đối với bệnh tim đe dọa tính mạng.

Quá trình này thường lặp đi lặp lại. Một máy in phun 3D—tương tự như máy in văn phòng—phun ra một lớp mỏng và “xử lý” nó bằng ánh sáng. Điều này làm rắn mực lỏng và sau đó, từng lớp, máy in sẽ xây dựng toàn bộ cấu trúc. Tuy nhiên, ánh sáng chỉ có thể chiếu sáng bề mặt của nhiều vật liệu, khiến không thể tạo ra cấu trúc 3D được in hoàn chỉnh chỉ bằng một lần thổi.

Nghiên cứu mới chuyển sang in thể tích, trong đó máy in chiếu ánh sáng vào một khối nhựa lỏng, làm rắn nhựa thành cấu trúc của vật thể—và voilà, vật thể được chế tạo hoàn chỉnh.

Quá trình này nhanh hơn nhiều và tạo ra các vật thể có bề mặt mịn hơn so với in 3D truyền thống. Nhưng nó bị giới hạn bởi khoảng cách ánh sáng có thể chiếu qua mực và vật liệu xung quanh—ví dụ: da, cơ và các mô khác.

Đây là lúc sóng siêu âm phát huy tác dụng. Nổi tiếng nhất trong lĩnh vực chăm sóc bà mẹ, siêu âm ở mức độ thấp dễ dàng xuyên qua các lớp mờ đục—chẳng hạn như da hoặc cơ—mà không gây hại. Được gọi là siêu âm tập trung, các nhà nghiên cứu đang khám phá công nghệ theo dõi và kích thích não và các mô khác.

Nó có nhược điểm. Sóng âm bị mờ khi truyền qua chất lỏng có nhiều trong cơ thể chúng ta. Được sử dụng để in các cấu trúc 3D, sóng âm thanh có thể tạo ra sự ghê tởm của thiết kế ban đầu. Để chế tạo một máy in 3D âm thanh, bước đầu tiên là thiết kế lại mực.

Một công thức âm thanh

Nhóm nghiên cứu lần đầu tiên thử nghiệm các thiết kế mực có khả năng xử lý bằng sóng siêu âm. Công thức mà họ nghĩ ra là một hỗn hợp các phân tử. Một số đông đặc lại khi đun nóng; những người khác hấp thụ sóng âm thanh.

Mực sono biến thành gel chỉ trong vài phút sau khi phát xung siêu âm.

Yao và Shapiro giải thích rằng quá trình này là tự hành. Siêu âm kích hoạt phản ứng hóa học tạo ra nhiệt được hấp thụ vào gel và đẩy nhanh chu trình. Vì nguồn siêu âm được điều khiển bởi một cánh tay robot nên có thể tập trung sóng âm thanh đến độ phân giải XNUMX milimet - dày hơn một chút so với thẻ tín dụng thông thường của bạn.

Nhóm đã thử nghiệm nhiều công thức mực siêu âm và các cấu trúc đơn giản được in 3D, như một bánh răng ba mảnh nhiều màu và các cấu trúc phát sáng trong bóng tối giống như mạch máu. Điều này giúp nhóm nghiên cứu thăm dò các giới hạn của hệ thống và khám phá các ứng dụng tiềm năng: Chẳng hạn, bộ cấy in 3D huỳnh quang có thể dễ dàng theo dõi bên trong cơ thể hơn.

Thành công âm thanh

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu chuyển sang các cơ quan bị cô lập.

Trong một thử nghiệm, họ tiêm mực siêu âm vào một quả tim dê bị tổn thương. Tình trạng tương tự ở người có thể dẫn đến cục máu đông chết người và đau tim. Phương pháp điều trị phổ biến là phẫu thuật tim hở.

Tại đây, nhóm nghiên cứu đã truyền mực siêu âm trực tiếp vào tim dê thông qua mạch máu. Với các xung siêu âm tập trung chính xác, mực sẽ đông lại để bảo vệ vùng bị tổn thương—mà không làm tổn hại đến các bộ phận lân cận—và kết nối với các mô của chính tim.

Trong một thử nghiệm khác, họ tiêm mực vào vết gãy xương chân gà và tái tạo lại xương “với sự liên kết liền mạch với các bộ phận tự nhiên”, các tác giả viết.

Trong thử nghiệm thứ ba, họ trộn doxorubicin, một loại thuốc hóa trị thường được sử dụng trong bệnh ung thư vú, vào mực siêu âm và tiêm vào những phần bị tổn thương của gan lợn. Với những luồng sóng siêu âm, mực sẽ lắng xuống những vùng bị tổn thương và dần dần giải phóng thuốc vào gan trong tuần tiếp theo. Nhóm nghiên cứu cho rằng phương pháp này có thể giúp cải thiện việc điều trị ung thư sau khi phẫu thuật cắt bỏ khối u.

Hệ thống chỉ là một sự khởi đầu. Sono-ink chưa được thử nghiệm bên trong cơ thể sống và nó có thể gây ra tác dụng độc hại. Và mặc dù siêu âm nói chung là an toàn, nhưng sự kích thích có thể làm tăng áp suất sóng âm và làm nóng các mô lên đến nhiệt độ rất cao là 158 độ F. Đối với Yao và Shapiro, những thách thức này có thể định hướng cho công nghệ.

Khả năng in nhanh các vật liệu 3D mềm mở ra cơ hội cho các giao diện thân máy mới. Miếng dán nội tạng được gắn thiết bị điện tử có thể hỗ trợ chăm sóc lâu dài cho những người mắc bệnh tim mãn tính. Siêu âm cũng có thể thúc đẩy tái tạo mô ở những phần sâu hơn của cơ thể mà không cần phẫu thuật xâm lấn.

Ngoài các ứng dụng y sinh, mực siêu âm thậm chí còn có thể gây chú ý trong thế giới hàng ngày. Ví dụ, giày in 3D đã có mặt trên thị trường. Yao và Shapiro viết: “Có thể “những đôi giày chạy bộ trong tương lai có thể được in bằng phương pháp âm thanh tương tự để sửa chữa xương”.

Tín dụng hình ảnh: Alex Sanchez, Đại học Duke; Junjie Yao, Đại học Duke; Y. Shrike Zhang, Trường Y Harvard

Dấu thời gian:

Thêm từ Trung tâm cá biệt