Ein pralles Stück bauernhoffrisches Hähnchenschenkel lag auf einer makellosen Oberfläche an der Harvard Medical School. Mit Haut und Knochen, es wurde präzise aufgeschnitten, so dass der Knochen kaum brach.

Ein Roboterarm drehte sich um, scannte den Bruch und injizierte vorsichtig einen flüssigen Cocktail aus Zutaten in den Spalt, darunter auch einige aus Algen isolierte Zutaten. Mit mehreren Ultraschallimpulsen verhärtete sich die Flüssigkeit zu einem knochenähnlichen Material und versiegelte den Bruch.

Das war keine Avantgarde-Dinnershow. Vielmehr handelte es sich um ein innovatives Experiment, um herauszufinden, ob Ultraschall eines Tages zum 3D-Druck von Implantaten direkt in unserem Körper verwendet werden kann.

Unter der Leitung von Dr. Yu Shrike Zhang am Brigham and Women's Hospital und der Harvard Medical School, a aktuellen Studie kombinierte die einzigartigen Eigenschaften von Ultraschall und 3D-Druck, um beschädigtes Gewebe zu reparieren. Das Herzstück der Technologie ist eine Mischung aus Chemikalien, die als Reaktion auf Schallwellen gelieren – eine Mischung namens „Sono-Tinte“.

In einem Test druckte das Team in 3D eine Cartoon-Knochenform in ein dickes Stück isolierten Schweinebauch, wobei der Ultraschall problemlos Schichten aus fettiger Haut und Gewebe durchdrang. Die Technologie erzeugte auch bienenstockartige Strukturen in isolierten Schweinelebern und eine Herzform in Nieren.

Es mag makaber klingen, aber das Ziel besteht nicht darin, Emojis in lebendem Gewebe in 3D zu drucken. Stattdessen könnten Ärzte eines Tages Ultraschall und Sonotinte verwenden, um beschädigte Organe im Körper direkt zu reparieren, als Alternative zu invasiven Operationen.

Als Machbarkeitsnachweis verwendete das Team Sono-Tinte, um eine gebrochene Region eines isolierten Ziegenherzens zu reparieren. Nach einigen Ultraschallstößen gelierte das resultierende Pflaster und verzahnte sich nahtlos mit dem umgebenden Herzgewebe, wodurch es im Wesentlichen zu einem biokompatiblen, dehnbaren Verband wurde.

Bei einem anderen Test wurde die Sono-Tinte mit einem Chemotherapeutikum beladen und das Gebräu in eine geschädigte Leber injiziert. Innerhalb von Minuten gab die Tinte das Medikament in verletzte Bereiche ab, während die meisten gesunden umliegenden Zellen geschont wurden.

Die Technologie bietet eine Möglichkeit, offene Operationen in weniger invasive Behandlungen umzuwandeln. schrieb Dr. Yuxing Yao und Mikhail Shapiro vom California Institute of Technology, die nicht an der Studie beteiligt waren. Es könnte auch zum Drucken von Körper-Maschine-Schnittstellen verwendet werden, die auf Ultraschall reagieren, zur Herstellung flexibler Elektronik für Herzverletzungen oder zur effizienten Abgabe von Krebsmedikamenten direkt an die Quelle nach einer Operation, um Nebenwirkungen zu begrenzen.

„Wir sind noch weit davon entfernt, dieses Tool in die Klinik zu bringen, aber diese Tests haben das Potenzial dieser Technologie erneut bestätigt.“ sagte Zhang. „Wir sind sehr gespannt, wohin es von hier aus gehen kann.“

Vom Licht zum Ton

Dank seiner Vielseitigkeit hat der 3D-Druck die Fantasie von Bioingenieuren beflügelt Bau künstlicher biologischer Teile-zum Beispiel, Stents bei lebensbedrohlichen Herzerkrankungen.

Der Prozess ist in der Regel iterativ. Ein Tintenstrahl-3D-Drucker sprüht – ähnlich einem Bürodrucker – eine dünne Schicht auf und „härtet“ diese mit Licht aus. Dadurch verfestigt sich die flüssige Tinte und dann baut der Drucker Schicht für Schicht eine ganze Struktur auf. Allerdings kann Licht bei vielen Materialien nur die Oberfläche beleuchten, sodass es unmöglich ist, mit einem Strahl eine vollständig gedruckte 3D-Struktur zu erzeugen.

Die neue Studie wandte sich dem volumetrischen Drucken zu, bei dem ein Drucker Licht in ein Volumen flüssigen Harzes projiziert und das Harz in der Struktur des Objekts verfestigt – und voilà, das Objekt ist als Ganzes gebaut.

Der Prozess ist viel schneller und erzeugt Objekte mit glatteren Oberflächen als der herkömmliche 3D-Druck. Sie wird jedoch dadurch begrenzt, wie weit das Licht durch die Tinte und das umgebende Material – zum Beispiel Haut, Muskeln und anderes Gewebe – durchscheinen kann.

Hier kommt der Ultraschall ins Spiel. Der Ultraschall ist vor allem für die Pflege von Müttern bekannt und dringt bei geringer Intensität problemlos in undurchsichtige Schichten wie Haut oder Muskeln ein, ohne Schaden zu nehmen. Forscher erforschen die sogenannte fokussierte Ultraschalltechnologie zur Überwachung und Stimulation des Gehirns und anderer Gewebe.

Es hat Nachteile. Schallwellen verschwimmen, wenn sie sich durch Flüssigkeiten bewegen, die in unserem Körper reichlich vorhanden sind. Beim 3D-Druck von Strukturen könnten die Schallwellen eine Abnormität des ursprünglichen Designs erzeugen. Um einen akustischen 3D-Drucker zu bauen, bestand der erste Schritt darin, die Tinte neu zu gestalten.

Ein fundiertes Rezept

Das Team experimentierte zunächst mit Tintendesigns, die mit Ultraschall aushärten. Das Rezept, das sie sich ausgedacht haben, ist eine Suppe aus Molekülen. Einige verfestigen sich beim Erhitzen; andere absorbieren Schallwellen.

Die Sono-Tinte verwandelt sich innerhalb weniger Minuten nach den Ultraschallimpulsen in ein Gel.

Der Prozess sei selbstfahrend, erklärten Yao und Shapiro. Ultraschall löst eine chemische Reaktion aus, die Wärme erzeugt, die vom Gel absorbiert wird und den Zyklus beschleunigt. Da die Ultraschallquelle von einem Roboterarm gesteuert wird, ist es möglich, die Schallwellen auf eine Auflösung von einem Millimeter zu fokussieren – etwas dicker als bei einer durchschnittlichen Kreditkarte.

Das Team testete mehrere Sono-Tinten-Rezepte und 3D-gedruckte einfache Strukturen, wie ein mehrfarbiges dreiteiliges Zahnrad und im Dunkeln leuchtende Strukturen, die Blutgefäßen ähneln. Dies half dem Team, die Grenzen des Systems auszuloten und mögliche Einsatzmöglichkeiten zu erkunden: Ein fluoreszierendes 3D-gedrucktes Implantat beispielsweise könnte im Körper leichter zu verfolgen sein.

Guter Erfolg

Als nächstes wandte sich das Team isolierten Organen zu.

In einem Test injizierten sie Sono-Tinte in ein beschädigtes Ziegenherz. Ein ähnlicher Zustand kann beim Menschen zu tödlichen Blutgerinnseln und Herzinfarkten führen. Die übliche Behandlung ist eine Operation am offenen Herzen.

Dabei injizierte das Team Sono-Tinte über Blutgefäße direkt in das Herz der Ziege. Mit präzise fokussierten Ultraschallimpulsen gelierte die Tinte, um die beschädigte Region zu schützen – ohne benachbarte Teile zu schädigen – und verbindet sich mit dem herzeigenen Gewebe.

In einem anderen Test injizierten sie die Tinte in einen Knochenbruch eines Hühnerbeins und rekonstruierten den Knochen „mit nahtloser Verbindung zu den natürlichen Teilen“, schreiben die Autoren.

In einem dritten Test mischten sie Doxorubicin, ein häufig bei Brustkrebs eingesetztes Chemotherapeutikum, in die Sono-Tinte und injizierten es in beschädigte Teile einer Schweineleber. Mit Ultraschallstrahlen setzte sich die Tinte in den beschädigten Regionen fest und gab das Medikament im Laufe der nächsten Woche nach und nach an die Leber ab. Das Team glaubt, dass diese Methode dazu beitragen könnte, die Krebsbehandlung nach der chirurgischen Entfernung von Tumoren zu verbessern, erklärten sie.

Das System ist nur ein Anfang. Sono-Tinte wurde noch nicht in einem lebenden Körper getestet und könnte toxische Wirkungen hervorrufen. Und obwohl Ultraschall im Allgemeinen sicher ist, kann die Stimulation den Schallwellendruck erhöhen und das Gewebe auf sehr wohlige 158 Grad Fahrenheit erhitzen. Für Yao und Shapiro können diese Herausforderungen die Technologie leiten.

Die Möglichkeit, weiche 3D-Materialien schnell zu drucken, öffnet die Tür zu neuen Körper-Maschine-Schnittstellen. Organpflaster mit eingebetteter Elektronik könnten die Langzeitversorgung von Menschen mit chronischen Herzerkrankungen unterstützen. Ultraschall könnte auch die Geweberegeneration in tieferen Körperteilen ohne invasive Operation anregen.

Abgesehen von biomedizinischen Anwendungen könnte Sono-Tinte sogar in unserem Land für Furore sorgen Alltagswelt. Beispielsweise sind 3D-gedruckte Schuhe bereits auf dem Markt. Es ist möglich, dass „die Laufschuhe der Zukunft mit derselben akustischen Methode gedruckt werden könnten, die Knochen repariert“, schrieben Yao und Shapiro.

Bildnachweis: Alex Sanchez, Duke University; Junjie Yao, Duke University; Y. Shrike Zhang, Harvard Medical School

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• Quelle: https://singularityhub.com/2023/12/11/ultrasonic-3d-printer-could-one-day-help-repair-organs-in-the-body-without-surgery/