Ученые напечатали на 3D-принтере материал внутри тела с помощью ультразвука

Фото из открытых источников

Ученые в США создали способ 3D-печати материалов внутри тела с помощью ультразвука. Тесты на мышах и кроликах показывают, что эта технология может доставлять противораковые препараты непосредственно в органы и восстанавливать поврежденные ткани. Исследование опубликовано в журнале Science.

Метод, получивший название «глубокая тканевая in vivo звуковая печать» (DISP), заключается в инъекции специализированных биочернил. Состав может варьироваться в зависимости от их предполагаемой функции в организме, но непреложными являются полимерные цепи и сшивающие агенты для их сборки в гидрогелевую структуру.

Чтобы предотвратить мгновенное образование гидрогеля, сшивающие агенты заключены внутри липидных частиц, называемых липосомами, внешние оболочки которых обеспечивают утечку при нагревании до 41,7 °C — на несколько градусов выше температуры тела.

Группа ученых под руководством ученых из Калифорнийского технологического института (Калтех) использовала луч сфокусированного ультразвука для нагрева и создания отверстий в липосомах, высвобождая сшивающие агенты и формируя гидрогель прямо в организме.

В то время как предыдущие исследования использовали инфракрасный свет для 3D-печати гидрогелей в организме, на этот раз в качестве пускового механизма был выбран ультразвук, поскольку он может активировать биочернила, введенные глубже, в мышцы и органы.

«Инфракрасное проникновение очень ограничено. Оно достигает только самого подкожного слоя», — говорит Вэй Гао из Калифорнийского технологического института. «Наша новая технология достигает глубоких тканей и позволяет печатать самые разные материалы для широкого спектра применений, сохраняя при этом превосходную биосовместимость».

Точно управляя ультразвуковым лучом, команда смогла напечатать на 3D-принтере сложные формы, такие как звезды и капли.

Однако DISP — это не просто новый забавный инструмент для модификации тела: испытания на животных с использованием различных версий гидрогеля показали, что он может помочь заменить или восстановить поврежденные ткани, доставить лекарства или контролировать электрические сигналы для таких тестов, как электрокардиография.

Исследователи использовали крошечные газовые пузырьки в качестве контрастного вещества для визуализации, что позволило им увидеть, когда система работает.

Эти везикулы меняют свой контраст, когда подвергаются химическим реакциям от сшивания полимера. Ультразвук улавливает эти сигналы и подтверждает, что реакция сработала.

На кроликах исследователи печатали кусочки искусственной ткани на глубине до 4 сантиметров под кожей. Это может помочь ускорить заживление ран и травм — особенно если клетки сначала включить в биочернила.

В ходе испытаний на 3D-культурах клеток рака мочевого пузыря команда ввела версию биочернил, загруженных химиотерапевтическим препаратом доксорубицином. Используя метод DISP для затвердевания в гидрогель, препарат медленно высвобождался в течение нескольких дней. Это привело к значительно большему количеству смертей раковых клеток, чем обычная инъекция препарата.

Добавление других ингредиентов к биочернилам может дать DISP еще больше возможностей для использования. Исследователи также создали проводящие биочернила с использованием углеродных нанотрубок и серебряных нанопроводов, которые можно использовать для имплантируемых датчиков температуры или электрических сигналов от сердца или мышц.

Важно отметить, что никакой токсичности гидрогеля обнаружено не было, а оставшиеся жидкие биочернила выводятся из организма естественным образом в течение семи дней, утверждают исследователи.

Конечно, исследователям еще предстоит преодолеть пропасть между испытаниями на животных и испытаниями на людях, но 3D-печать биомедицинских устройств прямо в организме человека — интригующая идея.

«Наш следующий этап — попытаться напечатать на более крупной модели животного, и, надеемся, в ближайшем будущем мы сможем оценить это на людях», — говорит Гао. «В будущем с помощью ИИ мы хотели бы иметь возможность автономно запускать высокоточную печать в движущемся органе, например, в бьющемся сердце».