Новый ультразвуковой процесс 3D-печати в теле

Можете ли вы представить мир, где можно было бы 3D-печатать органы или ткани непосредственно в вашем теле? Хотя это может показаться удивительной научной фантастикой, исследователи из Университета Дьюка и Гарвардской медицинской школы сделали это возможным. Они разработали новый процесс 3D-печати с использованием сфокусированного ультразвука и биосовместимых чернил, которые вместе можно использовать для всего, от заживления костей до восстановления сердечных клапанов. Надеемся, что это приведет к более безопасным и менее инвазивным хирургическим процедурам.

Хотя аддитивное производство имеет ряд преимуществ в медицинском секторе, включая растущую область биопечати, все еще существуют препятствия, особенно когда речь идет о печати в теле. Это объясняется тем, что многие современные процессы используют либо экструзию, либо фотополимеризацию, ни один из которых не подходит для 3D-печати через ткани. В этой технике использовались чувствительные к ультразвуку чернила для построения 3D-структур на разной глубине, в том числе через ткани человеческого тела.

Этот новый процесс, названный глубокопроникающей акустической объемной печатью или DVAP, может помочь преодолеть проблемы. Рэнди Кинг, доктор философии, директор программ в отделе прикладной науки и технологий NIBIB, объясняет: «Фокусированный ультразвук десятилетиями использовался для лечения различных состояний, что подчеркивает его безопасность и полезность как клинический инструмент. Эта потенциальная новая программа, созданная на основе многолетнего прогресса технологий, может создать основу для чего-то, что раньше считалось невозможным: 3D ультразвуковой печати через ткань».

Как отметил доктор Кинг, сфокусированный ультразвук не является новым в области медицины. Определенный Национальным институтом здоровья как неинвазивный терапевтический метод, который направляет ультразвуковые волны в определенное место, он уже используется для лечения опухоли печени, миомы матки и даже болезни Паркинсона. Однако это первый раз, когда он будет использоваться специально для медицинской 3D-печати.

О том, как работает DVAP, его можно сравнить с другими биомедицинскими процессами 3D-печати, в том числе с использованием фоточувствительных чернил и целевого света, включая объемную 3D-печать. Однако в этом случае разработаны ультразвуковые чернила, чувствительные к ультразвуку. Именно чернила состоит из четырех отдельных компонентов: соединения, поглощающего ультразвуковые волны, микрочастицы, помогающие контролировать вязкость, полимера, обеспечивающего структуру, и соли, поглощающей тепло, чтобы инициировать отверждение. Совместная работа позволяет печатать биосовместимые структуры даже через толстые многослойные ткани тела.

Эти чернила также можно адаптировать для различных применений, таких как добавление минеральных частиц кости для лечения потери костной массы. Кроме того, ее можно сделать более крепкой или разлагающейся в зависимости от потребностей пациента. Уровень гибкости, имеющий решающее значение в медицинских приложениях, хорошо работает с самодельным конфокальным высокоинтенсивным ультразвуковым принтером исследователей, адаптированным для улучшения как скорости, так и разрешения.

Процесс был разработан Y. Shrike Zhang, ассоциированным биоинженером в Brigham and Women's Hospital и доцентом Гарвардской медицинской школы, и Junjie Yao, доцентом биомедицинской инженерии в университете Дьюка. О том, как это работает, Яо рассказывает: «DVAP полагается на сонотермический эффект, который возникает, когда звуковые волны поглощаются и повышают температуру для твердения наших чернил. Ультразвуковые волны могут проникать более чем в 100 раз глубже, чем свет, но остаются пространственно ограниченными, поэтому мы можем достигать тканей, костей и органов с высокой пространственной точностью, чего нельзя добиться с помощью методов световой печати».

Кроме того, DVAP не только позволит 3D-печать в организме благодаря использованию ультразвуковых волн, но она даже может быть совместима с биологическими тканями. Чжан и Яо уже испробовали этот процесс, создав ткани для свиной печени, а также имитацию операции с применением сердца козы. Эти эксперименты также показали многообещающие результаты, то есть в будущем можно будет использовать такой процесс как DVAP для замены высокоинвазивных хирургических процедур.