하버드 의과대학의 깨끗한 표면에 농장에서 갓 구운 통통한 닭다리 조각이 놓여 있었습니다. 피부는 그대로, 뼈는 들어있어 뼈가 거의 부러지지 않을 정도로 정밀하게 썰어졌습니다.

로봇 팔이 방향을 틀어 파손된 부분을 스캔하고 해초에서 분리한 일부 성분을 포함하여 성분의 액체 혼합물을 균열에 조심스럽게 주입했습니다. 여러 번의 초음파 펄스로 액체가 뼈 같은 물질로 굳어지고 골절이 봉합되었습니다.

이것은 아방가르드한 디너쇼가 아니었습니다. 오히려 언젠가 초음파를 사용하여 우리 몸 내부에 직접 임플란트를 3D 프린팅할 수 있는지 확인하는 것은 혁신적인 실험이었습니다.

브리검 여성병원과 하버드 의과대학의 Yu Shrike Zhang 박사가 이끄는 최근의 연구 손상된 조직을 복구하기 위해 초음파와 3D 프린팅의 고유한 특성을 결합했습니다. 이 기술의 핵심은 음파에 반응하여 겔화되는 화학 물질의 혼합물, 즉 "소노 잉크"라고 불리는 혼합물입니다.

한 테스트에서 팀은 분리된 무거운 삼겹살 내부에 만화 같은 뼈 모양을 3D 프린팅했으며, 초음파는 지방 피부와 조직의 층을 쉽게 관통했습니다. 이 기술은 또한 분리된 돼지 간 내부에 벌집 같은 구조를 만들고 신장에 심장 모양을 만들었습니다.

섬뜩하게 들릴 수도 있지만 목표는 살아있는 조직 내부에 이모티콘을 3D 프린팅하는 것이 아닙니다. 오히려 의사들은 언젠가 침습적 수술의 대안으로 초음파와 소노잉크를 사용하여 신체 내부의 손상된 장기를 직접 복구할 수 있을 것입니다.

개념 증명으로 팀은 소노잉크를 사용하여 분리된 염소 심장의 손상된 부분을 수리했습니다. 몇 차례의 초음파 폭발 후, 생성된 패치는 겔화되고 주변 심장 조직과 매끄럽게 맞물려 본질적으로 생체 적합하고 신축성이 있는 붕대가 되었습니다.

또 다른 테스트에서는 소노잉크에 화학요법 약물을 주입하고 이 혼합물을 손상된 간에 주입했습니다. 몇 분 안에 잉크는 손상된 부위에 약물을 방출하는 동시에 건강한 주변 세포의 대부분을 보호했습니다.

이 기술은 개방형 수술을 덜 침습적인 치료로 전환하는 방법을 제공합니다. 쓴 박사님. 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 Yuxing Yao와 Mikhail Shapiro는 이번 연구에 참여하지 않았습니다. 또한 초음파에 반응하는 신체-기계 인터페이스를 인쇄하거나, 심장 부상을 위한 유연한 전자 장치를 만들거나, 수술 후 항암제를 소스에 직접 효율적으로 전달하여 부작용을 제한하는 데 사용할 수 있습니다.

"아직 이 도구를 임상에 도입하려면 아직 멀었지만 이번 테스트를 통해 이 기술의 잠재력이 재확인되었습니다." 말했다 장. "우리는 이것이 여기서 어디로 갈 수 있을지 매우 기대됩니다."

빛에서 소리까지

다재다능함 덕분에 3D 프린팅은 생명공학자들의 상상력을 사로잡았습니다. 인공 생물학적 부품 제작-예를 들어, 스텐트 생명을 위협하는 심장병의 경우.

프로세스는 일반적으로 반복적입니다. 사무용 프린터와 유사한 잉크젯 3D 프린터는 얇은 층을 분사하고 빛으로 "치료"합니다. 이는 액체 잉크를 굳힌 다음 층별로 프린터가 전체 구조를 구축합니다. 그러나 빛은 많은 재료의 표면만 비출 수 있으므로 한 번의 폭발로 완전히 인쇄된 3D 구조를 생성하는 것은 불가능합니다.

새로운 연구는 프린터가 액체 수지의 볼륨에 빛을 투사하여 수지를 물체의 구조로 굳히는 체적 인쇄로 전환되었습니다. 그러면 물체가 전체적으로 만들어집니다.

이 프로세스는 기존 3D 프린팅보다 훨씬 빠르고 표면이 매끄러운 물체를 생산합니다. 그러나 빛이 잉크와 주변 물질(예: 피부, 근육 및 기타 조직)을 통해 얼마나 멀리 비출 수 있는지에 따라 제한됩니다.

초음파가 필요한 곳이 바로 여기입니다. 산모 관리로 가장 잘 알려진 낮은 수준의 초음파는 해를 끼치지 않고 피부나 근육과 같은 불투명한 층에 쉽게 침투합니다. 집중 초음파라고 불리는 연구자들은 뇌와 기타 조직을 모니터링하고 자극하는 기술을 탐구하고 있습니다.

단점이 있습니다. 우리 몸에 풍부한 액체를 통과할 때 음파가 흐려집니다. 3D 프린팅 구조물에 사용되는 음파는 원래 디자인에 대한 혐오감을 불러일으킬 수 있습니다. 음향 3D 프린터를 제작하기 위한 첫 번째 단계는 잉크를 재설계하는 것이었습니다.

사운드 레시피

연구팀은 먼저 초음파로 경화되는 잉크 디자인을 실험했습니다. 그들이 생각해낸 레시피는 분자 수프입니다. 일부는 가열되면 굳어집니다. 다른 것들은 음파를 흡수합니다.

소노잉크는 초음파 펄스 후 단 몇 분 만에 젤로 변합니다.

Yao와 Shapiro는 이 과정이 스스로 추진된다고 설명했습니다. 초음파는 젤에 흡수되어 사이클을 가속화하는 열을 생성하는 화학 반응을 유발합니다. 초음파 소스는 로봇 팔에 의해 제어되기 때문에 평균 신용 카드보다 약간 두꺼운 XNUMXmm의 해상도로 음파를 집중시키는 것이 가능합니다.

팀은 다양한 소노 잉크 레시피와 다양한 색상의 3피스 장비, 혈관과 유사한 어둠 속에서 빛나는 구조와 같은 3D 프린팅된 간단한 구조를 테스트했습니다. 이는 팀이 시스템의 한계를 조사하고 잠재적인 용도를 탐색하는 데 도움이 되었습니다. 예를 들어 형광 XNUMXD 프린팅 임플란트는 신체 내부를 더 쉽게 추적할 수 있습니다.

건전한 성공

다음으로 팀은 분리된 장기를 연구했습니다.

한 테스트에서 그들은 손상된 염소 심장에 소노잉크를 주입했습니다. 인간의 유사한 상태는 치명적인 혈전과 심장 마비로 이어질 수 있습니다. 일반적인 치료법은 심장 절개 수술입니다.

여기에 연구팀은 혈관을 통해 염소 심장에 직접 소노잉크를 주입했다. 정밀하게 집중된 초음파 펄스를 통해 잉크는 겔화되어 주변 부위에 해를 끼치지 않고 손상된 부위를 보호하고 심장 자체 조직과 연결됩니다.

또 다른 테스트에서 그들은 닭 다리 뼈 골절에 잉크를 주입하고 "원래 부분에 매끄럽게 결합하여" 뼈를 재구성했다고 저자는 썼습니다.

세 번째 시험에서는 유방암에 흔히 사용되는 화학요법제인 독소루비신을 소노잉크에 섞어 돼지 간의 손상된 부위에 주입했다. 초음파를 쏘면서 잉크는 손상된 부위에 자리를 잡고 다음 주에 걸쳐 점차적으로 약물을 간으로 방출했습니다. 연구팀은 이 방법이 종양을 수술적으로 제거한 후 암 치료를 개선하는 데 도움이 될 수 있다고 생각한다고 설명했습니다.

시스템은 단지 시작일 뿐입니다. 소노잉크는 아직 생체 내부에서 테스트되지 않았으며 독성 효과를 유발할 수 있습니다. 초음파는 일반적으로 안전하지만 자극은 음파 압력을 증가시키고 조직을 화씨 158도까지 가열할 수 있습니다. Yao와 Shapiro에게 이러한 과제는 기술의 방향이 될 수 있습니다.

부드러운 3D 재료를 빠르게 인쇄할 수 있는 기능은 새로운 차체-기계 인터페이스의 문을 열어줍니다. 전자 장치가 내장된 장기 패치는 만성 심장병 환자의 장기 치료를 지원할 수 있습니다. 초음파는 또한 침습적 수술 없이 신체의 더 깊은 부분의 조직 재생을 촉진할 수 있습니다.

생의학적 응용은 제쳐두고, 소노잉크는 우리 분야에서 큰 인기를 끌 수도 있습니다. 일상의 세계. 예를 들어 3D 프린팅 신발은 이미 시장에 진출했습니다. 야오(Yao)와 샤피로(Shapiro)는 "미래의 운동화는 뼈를 수리하는 것과 동일한 음향 방식으로 인쇄될 수 있다"고 썼습니다.

이미지 크레디트: Duke University의 Alex Sanchez; 듀크대학교 야오 준지에(Junjie Yao); Y. Shrike Zhang, 하버드 의과대학

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