In vivo 3D -printen met geluid houdt belofte voor precieze medicijnafgifte, wondgenezing en meer

Stel je voor dat artsen precies miniatuurcapsules kunnen afdrukken die cellen kunnen leveren die nodig zijn voor weefselherstel precies waar ze nodig zijn in een kloppend hart.

Een team van wetenschappers onder leiding van Caltech heeft een belangrijke stap gezet in de richting van dat uiteindelijke doel, met een methode ontwikkeld voor 3D-printpolymeren op specifieke locaties diep binnen levende dieren. De techniek is afhankelijk van geluid voor lokalisatie en is al gebruikt om polymeercapsules af te drukken voor selectieve medicijnafgifte en lijmachtige polymeren om interne wonden af ​​te sluiten.

Eerder hebben wetenschappers infraroodlicht gebruikt om polymerisatie te activeren, het koppelen van de basiseenheden of monomeren van polymeren binnen levende dieren.

“Maar de infraroodpenetratie is zeer beperkt. Het bereikt alleen direct onder de huid”, zegt Wei Gao, professor medische engineering aan Caltech en een onderzoeker van het Heritage Medical Research Institute. “Onze nieuwe techniek bereikt het diepe weefsel en kan een verscheidenheid aan materialen afdrukken voor een breed scala aan toepassingen, terwijl ze uitstekende biocompatibiliteit behouden.”

Gao en zijn collega’s melden hun nieuwe in vivo 3D-printtechniek in het dagboek Wetenschap.

Samen met bioadhesieve gels en polymeren voor medicijn- en celafgifte, beschrijft het papier ook het gebruik van de techniek voor het afdrukken van bio -elektrische hydrogels, die polymeren zijn met ingebedde geleidende materialen voor gebruik bij de interne monitoring van fysiologische vitale tekens, zoals in elektrocardiogrammen (ECG’s (ECG’s). De hoofdauteur van de studie is Elham Davoodi, een universitair docent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Utah, die het werk voltooide terwijl een postdoctorale geleerde bij Caltech.

De oorsprong van een nieuw idee

GAO en zijn collega’s wenden een manier om een ​​manier te vinden om diep weefsel in vivo -printen te realiseren, wendden zich tot echografie, een platform dat op grote schaal wordt gebruikt in biomedicine voor diepe weefselpenetratie. Maar ze hadden een manier nodig om crosslinking (binding van monomeren) op een specifieke locatie te activeren en alleen wanneer gewenst.

Ze kwamen met een nieuwe benadering: combineer echografie met lage-temperatuur-gevoelige liposomen. Dergelijke liposomen, bolvormige celachtige blaasjes met beschermende vetlagen, worden vaak gebruikt voor de afgifte van geneesmiddelen. In het nieuwe werk laadden de wetenschappers de liposomen met een verknopingsmiddel en ingebed in een polymeeroplossing met de monomeren van het polymeer dat ze wilden afdrukken, een beeldvormend contrastmiddel dat zou onthullen wanneer de verknoping had plaatsgevonden, en de lading die ze hopen te leveren – een therapeutisch medicijn, bijvoorbeeld.

Extra componenten kunnen worden opgenomen, zoals cellen en geleidende materialen zoals koolstofnanobuisjes of zilver. De samengestelde bioink werd vervolgens rechtstreeks in het lichaam geïnjecteerd.

Verhoog de temperatuur slechts een aanraking om afdrukken te activeren

De liposoomdeeltjes zijn gevoelig voor lage temperatuur, wat betekent dat door het gebruik van een gerichte echografie om de temperatuur van een klein gerichte gebied met ongeveer 5 graden Celsius te verhogen, de wetenschappers de afgifte van hun lading kunnen veroorzaken en de afdrukken van polymeren kunnen initiëren.

“Het verhogen van de temperatuur met een paar graden Celsius is voldoende voor de liposoomdeeltjes om onze verknopingsmiddelen los te laten”, zegt Gao. “Waar de agenten worden vrijgegeven, is dat waar gelokaliseerde polymerisatie of afdrukken zullen plaatsvinden.”

Het team gebruikt gasblaasjes afgeleid van bacteriën als een beeldvormingscontrastmiddel. De blaasjes, met lucht gevulde capsules van eiwitten, verschijnen sterk in ultrasone beeldvorming en zijn gevoelig voor chemische veranderingen die plaatsvinden wanneer de vloeibare monomeeroplossing verknopt om een ​​gelnetwerk te vormen. De blaasjes veranderen eigenlijk contrast, gedetecteerd door echografie, wanneer de transformatie plaatsvindt, waardoor wetenschappers gemakkelijk kunnen identificeren wanneer en precies waar crosslinking van polymerisatie is opgetreden, waardoor ze de patronen kunnen aanpassen die in levende dieren worden afgedrukt.

Het team noemt de nieuwe techniek het Deep Tissue In Vivo Sound Printing (DISP) platform.

Toen het team het DIP -platform gebruikte om polymeren te printen geladen met doxorubicine, een chemotherapeutisch medicijn, in de buurt van een blaastumor bij muizen, vonden ze een aanzienlijk meer tumorceldood gedurende meerdere dagen in vergelijking met dieren die het medicijn ontvingen door directe injectie van geneesmiddelenoplossingen.

“We hebben al in een klein dier aangetoond dat we geneesmiddelen-geladen hydrogels kunnen afdrukken voor tumorbehandeling”, zegt Gao. “Onze volgende fase is om te proberen af ​​te drukken in een groter diermodel, en hopelijk kunnen we dit in de nabije toekomst bij mensen evalueren.”

Het team is ook van mening dat machine learning het vermogen van het DISP -platform kan verbeteren om zich nauwkeurig te vinden en gerichte echografie toe te passen.

“In de toekomst, met de hulp van AI, willen we graag autonoom kunnen activeren met een zeer nauwkeurige afdrukken in een bewegend orgel zoals een kloppend hart,” zegt Gao.