Трехмерная печать внутри тела

Трехмерная печать становится обыденной технологией и в промышленности, и в несерийном производстве. 3D-принтеры позволяют создавать пластиковые и металлические конструкции, прототипы медицинских приборов, гибкую и легкую электронику, даже искусственные биоткани для лечения ран. Однако недостаток большинства принтеров состоит в том, что они печатают деталь слой за слоем, медленно наращивая ее поверхность при непрерывной подаче чернил. Для удержания детали послойная печать требует особого, иногда громоздкого оборудования.

В последние годы ученые создают фоточувствительные чернила, которые сразу затвердевают в нужную форму — не послойно, а в объеме. Такая объемная печать под действием пучка света позволяет увеличить скорость изготовления и качество изделия, так как нет необходимости в подаче твердеющего материала. Однако ее недостаток в том, что чернила должны быть прозрачными, чтобы свет мог проникать на всю их глубину. Это ограничивает выбор материалов для печати и размер детали. Такой подход сложно применять в медицине, поскольку биологические ткани почти не пропускают свет.

Эти недостатки преодолели инженеры Медицинской школы Гарварда и Университета Дьюка. Под руководством профессоров Шрайк Жанга (Y. Shrike Zhang) и Яо Юнджи (Junjie Yao) исследователи развили новый метод объемной печати. В нем для отверждения детали вместо света используют акустические волны: ультразвук разогревает материал, и он полимеризуется.

Чернила для фотопечати представляют собой вязкую комбинацию гидрогелей, микрочастиц и биомолекул. Их можно вводить в нужное место тела, например с помощью шприца. Им же после затвердевания легко удалить их остатки. Меняя состав, можно получить чернила для разных целей. Они способны стать гидрогелевым шариком в мягком органе или твердым материалом с частицами минералов взамен утерянных костей. Состав чернил позволяет регулировать свойства нового элемента тела, например заставить его быстро рассосаться.

Инженеры всесторонне изучили характеристики действия звука на чернила, а затем провели три эксперимента, которые продемонстрировали принципиальные возможности акустической печати. В первом — они закупорили придаток левого предсердия умерщвленной козы. Работающее сердце с подведенными трубками подачи крови надежно зафиксировали, гелевые чернила в него доставили с помощью катетера, а источник звука располагали в 12 мм от их сгустка. Ученые смогли отвердить чернила, не повредив окружающие ткани сердца. Новый гибкий элемент надежно связался с тканями и выдерживал сокращения. Результат дает надежду на создание методов лечения, не требующих серьезных операций на сердце.

Во втором тесте исследователи восстановили разрушенную кость лапы живой курицы. Они смогли отвердить биочернила сквозь сантиметр кожи и мышц и надежно связать их с костью. В третьем тесте метод применяли для направленной доставки лекарств для химотерапии в ткань печени. Чернила превратили в сгусток, который затем выделял лекарство в окружающую ткань за счет диффузии.

Метод ультразвуковой печати пока далек от широкого медицинского применения, но уже сейчас его создатели уверены, что он сможет заменить многие инвазивные способы лечения и даже серьезные операции. Статья появилась в журнале Science.