Новий ультразвуковий процес 3D-друку в тілі

Чи могли б ви уявити світ, де можна було б 3D-друкувати органи чи тканини безпосередньо у вашому тілі? Хоча це може здатися дивовижною науковою фантастикою, дослідники з Університету Дьюка та Гарвардської медичної школи зробили це можливим. Вони розробили новий процес 3D-друку з використанням сфокусованого ультразвуку та біосумісного чорнила, які разом можна використовувати для всього, від загоєння кісток до відновлення серцевих клапанів. Сподіваємося, що це призведе до більш безпечних і менш інвазивних хірургічних процедур.

Хоча адитивне виробництво має ряд переваг у медичному секторі, включаючи зростаючу сферу біодруку, все ще існують перешкоди, особливо коли мова йде про друк в тілі. Це пояснюється тим, що багато сучасних процесів використовують або екструзію, або фотополімеризацію, жоден із яких не підходить для 3D-друку через тканини. У цій техніці використовувалися чутливі до ультразвуку чорнила для побудови 3D-структур на різній глибині, в тому числі через тканини людського тіла.

Цей новий процес, названий глибокопроникаючим акустичним об’ємним друком, або DVAP, може допомогти подолати проблеми. Ренді Кінг, доктор філософії, директор програм у відділі прикладної науки та технологій NIBIB, пояснює: «Фокусований ультразвук десятиліттями використовувався для лікування різноманітних станів, що підкреслює його безпеку та корисність як клінічного інструменту. Ця потенційна нова програма, створена на основі багаторічного прогресу технологій, може створити основу для чогось, що раніше вважалося неможливим: 3D ультразвукового друку через тканину».

Як зазначив доктор Кінг, сфокусований ультразвук не є новим у галузі медицини. Визначений Національним інститутом здоров’я як «неінвазивний терапевтичний метод, який спрямовує ультразвукові хвилі в певне місце», він уже використовується для лікування пухлини печінки, міоми матки та навіть хвороби Паркінсона. Однак це перший раз, коли він буде використовуватися спеціально для медичного 3D-друку.

Щодо того, як працює DVAP, його можна порівняти з іншими біомедичними процесами 3D-друку, зокрема з тими, що використовують фоточутливі чорнила та цільове світло, включаючи об’ємний 3D-друк. Однак у цьому випадку розроблено ультразвукове чорнило, яке чутливе до ультразвуку. Саме чорнило складається з чотирьох окремих компонентів: сполуки, яка поглинає ультразвукові хвилі, мікрочастинки, яка допомагає контролювати в’язкість полімеру, який забезпечує структуру, та солі, яка поглинає тепло, щоб ініціювати затвердіння. Спільна робота дозволяє друкувати біосумісні структури навіть через товсті багатошарові тканини тіла.

Це чорнило також можна адаптувати для різних застосувань, таких як додавання мінеральних частинок кістки для лікування втрати кісткової маси. Крім того, її можна зробити міцнішою або такою, що розкладається, залежно від потреб пацієнта. Рівень гнучкості, який має вирішальне значення в медичних додатках, добре працює з саморобним високоінтенсивним ультразвуковим принтером дослідників, який був адаптований для покращення як швидкості, так і роздільної здатності.

Процес був розроблений Y. Shrike Zhang, асоційованим біоінженером у Brigham and Women’s Hospital і доцентом Гарвардської медичної школи, і Junjie Yao, доцентом біомедичної інженерії в університеті Дьюка. Щодо того, як це працює, Яо розповідає: «DVAP покладається на сонотермічний ефект, який виникає, коли звукові хвилі поглинаються та підвищують температуру для твердіння наших чорнил. Ультразвукові хвилі можуть проникати більш ніж у 100 разів глибше, ніж світло, але залишаються просторово обмеженими, тому ми можемо досягати тканин, кісток і органів з високою просторовою точністю, чого не можна досягти за допомогою методів світлового друку».

Крім того, DVAP не тільки дозволить 3D-друк в організмі завдяки використанню ультразвукових хвиль, але він навіть може бути сумісним з біологічними тканинами. Чжан і Яо вже випробували цей процес, створивши тканини для свинячої печінки, а також імітацію операції із застосуванням серця кози. Ці експерименти також показали багатообіцяючі результати, тобто в майбутньому можна буде використовувати такий процес, як DVAP, для заміни високоінвазивних хірургічних процедур.