وبلاگ

اگر یک پزشک بتواند چیزی را به صورت سه بعدی پرینت کند چه می شود؟ از طریق پوست شما، ساخت ایمپلنت یا اندام جایگزین در زیر لایه های بافت؟ دنیای پزشکی متحول خواهد شد: بسیاری از روش های جراحی که با خطرات مختلفی همراه هستند را می توان بدون بلند کردن چاقوی جراحی انجام داد.

یک تیم مشترک با بودجه NIH در حال کار برای تبدیل این داستان شبیه به پیشتازان فضا به واقعیت است. کار آنها، منتشر شده امروز در علوم پایه، روشی را برای چاپ ساختارهای زیست سازگار از طریق بافت های متراکم و چند لایه نشان می دهد. اصل؟ سونوگرافی متمرکز با یک جوهر جدید حساس به اولتراسوند ترکیب شده است.

دکتر رندی کینگ، مدیر برنامه در بخش علوم و فناوری کاربردی در NIBIB گفت: «سونوگرافی متمرکز برای دهه‌ها برای درمان طیف گسترده‌ای از شرایط استفاده می‌شود و بر ایمنی و کاربرد آن به عنوان یک ابزار بالینی تأکید می‌کند. این نرم افزار جدید بالقوه، که بر اساس سال ها پیشرفت تکنولوژی ساخته شده است، می تواند چیزی را که قبلا غیرممکن تصور می شد به وجود آورد: چاپ سه بعدی اولتراسونیک از طریق بافت.

استفاده از اصول اولتراسونیک برای پرینت سه بعدی

برخی از تکنیک‌های پرینت سه بعدی از نور – نوعی انرژی – برای جامد شدن جوهر استفاده می‌کنند که اغلب از یک ماده مایع مانند رزین یا پلاستیک تشکیل شده است. با این حال، نور به خوبی از طریق پوست و اندام ها عبور نمی کند و با عبور از آن ها پخش می شود. برای “چاپ” موفقیت آمیز از طریق بافت های بیولوژیکی، یک منبع انرژی متفاوت مورد نیاز است.

وارد سونوگرافی شوید. در مقایسه با نور، امواج اولتراسوند می توانند بسیار دورتر از بافت حرکت کنند و انرژی را به خوبی به زیر سطح بفرستند. با ارائه جوهری که می تواند با تعامل با امواج اولتراسوند سخت شود، پزشک می تواند به طور بالقوه ساختارهای مرتبط بیولوژیکی را در داخل بدن انسان بدون ایجاد برش بسازد.

دکتر جونجی یائو، نویسنده ارشد این مطالعه، استادیار مهندسی زیست پزشکی در دانشگاه دوک، توضیح داد: «فناوری ما مبتنی بر اثر حرارتی صوتی است، که افزایش دمایی را که به دلیل جذب امواج فراصوت رخ می‌دهد، توصیف می‌کند. اگر بتوانیم با تمرکز امواج اولتراسوند، افزایش دما را دقیقاً کنترل کنیم، می‌توانیم انجماد جوهر تزریق شده را حتی از طریق لایه‌های بافت هدایت کنیم.»

جوهر با استفاده از چهار جزء ساخته شده است: ترکیبی که به جذب امواج اولتراسوند کمک می کند، ریزذره ای که به کنترل ویسکوزیته کمک می کند، پلیمری که ساختار را ایجاد می کند و نمکی که گرما را جذب می کند تا باعث سخت شدن شود. Y. Shrike Zhang، Ph.D.، دانشیار و دانشیار مهندسی زیستی در دانشکده پزشکی هاروارد و بریگام، نویسنده ارشد این مطالعه، گفت: “قطعات منحصر به فرد بیوئینک جدید نیستند – در واقع، آنها برای سال های زیادی در کاربردهای زیست مواد مورد استفاده قرار گرفته اند.” و بیمارستان زنان به ترتیب. نکته کلیدی ترکیب این مواد در نسبت‌های مناسب بود که به ما اجازه می‌داد جوهری بسازیم که در تعامل با امواج اولتراسوند بدون پخش شدن، به سرعت سفت شود.

از اصل تا اثبات مفهوم

برای شروع، محققان می‌خواستند ببینند که آیا می‌توانند با استفاده از تکنیک اولتراسوند، اشکال سه‌بعدی ایجاد کنند. آنها یک مبدل اولتراسوند متمرکز را در بالای یک محفظه پر از جوهر جدیدشان آویزان کردند. بین مبدل و جوهر یک “واسطه منطبق” وجود داشت، ماده ای که در اکثر روش های اولتراسوند استفاده می شود و انتقال موثر امواج اولتراسوند را فراهم می کند. با استفاده از یک برنامه کامپیوتری برای کنترل دقیق حرکات سه بعدی پیچیده مبدل اولتراسونیک، محققان توانستند چندین ساختار مختلف را در اعماق مختلف داخل محفظه جوهر ایجاد کنند. این سازه ها دارای طیف وسیعی از اندازه ها و پیچیدگی های هندسی بودند و شامل اشیایی مانند لانه زنبوری چند لایه، شبکه عروقی منشعب و الگوهای پیچیده ای بودند که شبیه دست یا عنکبوت بودند.

در مرحله بعد، محققان می خواستند تعیین کنند که آیا می توان از تکنیک آنها برای چاپ از طریق بافت های بیولوژیکی استفاده کرد یا خیر. آنها بافت های خوک با ضخامت های متفاوت (تا 17 میلی متر) را در بالای محفظه پر از جوهر قرار دادند. با قرار گرفتن مبدل در بالا، محققان امواج اولتراسوند را از طریق بافت و به داخل محفظه زیر هدایت کردند. آنها با موفقیت بسیاری از ساختارهای مختلف را با استفاده از انواع مختلف بافت، از جمله کبد خوک و یک فانتوم بافت خوک که از چندین لایه (مانند پوست، چربی و ماهیچه) تشکیل شده است، چاپ کردند.

برای تقلید از یک روش در دنیای واقعی، محققان یک عمل شبیه سازی شده را با استفاده از قلب بز ex vivo انجام دادند. محققان با استفاده از یک کاتتر، جوهر حساس به اولتراسوند خود را به گوش دهلیز چپ، یک ساختار کیسه مانند در قلب، که در آن لخته‌های خون تشکیل می‌شود، تزریق کردند. از طریق دیواره قلب بز، محققان از امواج اولتراسوند برای سفت شدن جوهر استفاده کردند و به طور موثر آن ناحیه از قلب را مهر و موم کردند. این روش که بسته شدن دهلیز چپ نامیده می شود، ممکن است به جراحی قلب باز نیاز داشته باشد و گاهی اوقات در بیماران مبتلا به فیبریلاسیون دهلیزی که در معرض خطر سکته مغزی هستند انجام می شود.

این آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهد که این روش چاپ اثبات مفهوم، پتانسیل تبدیل روش‌های جراحی بسیار تهاجمی را به روش‌های ایمن‌تر و کم‌تهاجمی‌تر دارد. یائو گفت: «تکنیک ما ممکن است مسیری غیر متعارف را برای پزشکی با حداقل تهاجمی فراهم کند، که قبلاً تقریباً غیرممکن به نظر می رسید.

منتظر بودن

این روش چاپ اولتراسوند متمرکز می‌تواند به سطوح بالایی از انرژی نیاز داشته باشد که پتانسیل گرم شدن بیش از حد بافت اطراف را دارد. برای مبارزه با این موضوع، محققان یک چاپگر اولتراسوند کانفوکال با شدت بالا ساختند. این سیستم از دو مبدل اولتراسوند استفاده می‌کند که در یک پرتو متقاطع قرار گرفته‌اند و به دو جبهه موج اولتراسوند اجازه می‌دهند با هم همپوشانی داشته باشند. این طراحی نه تنها انرژی مورد نیاز برای هر مبدل را کاهش می دهد، بلکه وضوح و سرعت چاپگر اولتراسونیک را نیز بهبود می بخشد.

ژانگ گفت: “ما به اصلاح تکنیک خود برای افزایش ایمنی و اثربخشی آن ادامه خواهیم داد و هدف آن تطبیق فناوری خود برای اهداف مختلف پزشکی است.” “در حالی که ما معتقدیم روش ما این پتانسیل را دارد که انواع روش های کم تهاجمی را فعال کند، اما هنوز یک فناوری نمونه اولیه است که قبل از ارزیابی در انسان به بهینه سازی بیشتر نیاز دارد.”

یائو و ژانگ که از زمان فارغ التحصیلی یکدیگر را می شناسند، چند سال گذشته را با هم روی فناوری چاپ اولتراسونیک سه بعدی خود کار کرده اند. یائو گفت: “سالها همکاری ما به ما فرصتی داد تا تکنیک جدیدی ایجاد کنیم که دیدگاه های منحصر به فرد ما را ترکیب می کند: تصویربرداری اولتراسوند و بیوشیمی.” ما نمی‌توانستیم این فناوری را بدون یکدیگر ایجاد کنیم و فرصت‌های منحصربه‌فردی را که می‌تواند از مشارکت‌های میان رشته‌ای به وجود آید، برجسته کنیم.»

این تحقیق توسط کمک‌های مالی از NIH، از جمله NIBIB (R21EB025270، R21EB027981، R21EB027304، R01EB028143، R21EB027981، و R01EB031629) حمایت شد. موسسه ملی قلب، ریه و خون (R01HL153857، R01HL165176، و R01HL166522)؛ موسسه ملی اختلالات عصبی و سکته مغزی (RF1NS115581 و R01NS111039)؛ و موسسه ملی سرطان (R01CA282451). سایر بودجه ها شامل کمک های مالی از بنیاد ملی علوم است.

این نکته برجسته علمی یک کشف تحقیقاتی بزرگ را توصیف می کند. تحقیقات پایه درک ما از رفتار و زیست شناسی انسان را افزایش می دهد، که زیربنای پیشرفت راه های جدید و بهتر برای پیشگیری، تشخیص و درمان بیماری است. علم یک فرآیند غیرقابل پیش بینی و تدریجی است – هر مطالعه علمی بر اساس اکتشافات گذشته، اغلب به روش های غیرمنتظره استوار است. اکثر پیشرفت های بالینی بدون دانش تحقیقات بنیادی امکان پذیر نخواهد بود.

مرجع تحقیق: شیائو کوانگ و دیگران. جوهرهای سونو خودتقویت کننده چاپ حجمی آکوستیک با نفوذ عمیق را امکان پذیر می کنند. علوم پایه 3821148-1155 (2023) DOI:10.1126/science.adi1563

نمودارهایی که در اینجا و در وب‌سایت NIBIB مشاهده می‌شوند از شکل‌های موجود در اقتباس شده‌اند علوم پایه انتشار.