Новая технология 3D-печати позволила создать импланты прямо в организме без хирургии

3D-печать позволяет создавать импланты, идеально подходящие для конкретного пациента. Однако обычно органы и ткани печатают вне организма, а для того, чтобы поместить их внутрь, требуется высокоинвазивная хирургия. Ученые из США разработали технологию 3D-печати DISP, которая контролируется при помощи ультразвукового имаджинга, и напечатали с ее помощью ткани мочевого пузыря и мышц для мыши и кролика in vivo.

Технология DISP (deep tissue in vivo sound printing) предполагает использование специальных биочернил, которые активируются сфокусированным ультразвуком. В состав этих биочернил входят биополимеры (например, альгинат), пузырьки газа (служат контрастным агентом для УЗИ) и чувствительные к температуре липосомы, содержащие агенты для кросс-сшивки. Эти липосомы остаются интактными при нормальной температуре тела, но при локальном повышении температуры под действием ультразвука вплоть до 41,7°C их мембрана становится жидкой, в ней образуются поры, и содержимое высвобождается. В результате кросс-сшивающие агенты взаимодействуют с чернилами и обеспечивают их полимеризацию. Таким образом, ультразвук в этой системе не только используется для визуализации ткани и контроля процесса, но и для запуска самой печати.

Принцип действия метода биопечати, контролируемой ультразвуком.
Credit:
Elham Davoodi and Wei Gao | пресс-релиз

Биочернила в этом случае доставляют с помощью инъекции или через катетер. Сама биопечать получается неинвазивной и быстрой (скорость достигает 40 мм/с). Она также характеризуется высоким разрешением — до 150 мкм — и позволяет проникать в ткань на глубину до 4 см. Сами биочернила можно хранить при температуре 4°C как минимум 450 дней.

Потенциал технологии DISP ученые продемонстрировали in vivo на мышах и кроликах. В первом случае для мыши с раком мочевого пузыря напечатали новую ткань этого органа вместо некротической. Для этого биочернила вводили в область рядом с опухолью. Кроликам же напечатали мышцы живота, приводящие мышцы, а также двуглавую мышцу бедра, таким образом показав, что с помощью этого метода биопечати можно печатать ткани в глубине организма. В обоих случаях напечатанная ткань хорошо приживалась, не наблюдалось повреждения соседних тканей или воспаления. В случае, если в организм вводили только биочернила и не воздействовали на них ультразвуком, они просто выводились в течение недели.

С помощью DISP можно печатать не только ткани, но и гидрогели, которые могут найти применение в биоэлектронике. Например, ученые пробовали добавлять в биочернила на основе альгината проводящие добавки: углеродные нанотрубки, нанопровода из серебра, хлопья максенов. В результате получались гидрогелевые электронные схемы, сопротивление и структуру которых можно было регулировать в процессе печати.

Потенциально DISP может применяться и для доставки лекарств. Исследователи выращивали 3D-микросфероиды опухолей в гидрогелях, полученных по данной технологии и содержащих доксорубицин — противоопухолевый препарат, индуцирующий двухцепочечные разрывы ДНК. Это повысило эффективность препарата по сравнению с его прямым внесением в среду.

Хотя новая технология 3D-печати очень перспективна, у метода все равно остаются ограничения. Для контроля процесса печати используется ультразвук, но гетерогенность ткани может влиять на его поглощение и, соответственно, на процесс полимеризации биочернил. Кроме того, пока что с помощью этой технологии не пробовали печатать динамически изменяющиеся органы: например, сердце или легкие, которые должны сокращаться для выполнения своих функций.

Ткань, напечатанная на 3D-принтере, секретирует инсулин в ответ на глюкозу