Ein interdisziplinäres Team vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB), unterstützt durch das NIH, hat einen bedeutenden Fortschritt in der Medizintechnik erzielt. Die Gruppe präsentierte in „Science“ unter dem Titel „Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing“ eine Methode, mit der es möglich ist, biokompatible Strukturen durch mehrschichtige Gewebe mittels 3D-Druck zu erstellen. Diese Technik basiert auf der Verwendung von fokussiertem Ultraschall und einer speziell entwickelten ultraschallempfindlichen Tinte.
Randy King, Ph.D., ein Programmleiter am NIBIB, erklärt: „Fokussierter Ultraschall wird seit Jahrzehnten zur Behandlung verschiedenster Zustände genutzt und beweist somit seine Sicherheit und Nützlichkeit als klinisches Werkzeug.“ Die neue Anwendung könnte die Möglichkeit eröffnen, biologisch relevante Strukturen im menschlichen Körper ohne chirurgische Eingriffe zu schaffen.
Ultraschallprinzipien im 3D-Druck
Anders als herkömmliche 3D-Drucktechniken, die Licht zur Verfestigung einer „Tinte“ nutzen, verwendet diese Methode Ultraschallwellen. Bereits in mehreren anderen Artikeln hatten wir im 3D-grenzenlos Magazin darüber berichtet. Lichtstrahlen werden beim Durchdringen von Haut und Organen gestreut, Ultraschallwellen hingegen können durch Gewebe dringen und Energie tief unter die Oberfläche senden. Die verwendete Tinte besteht aus vier Komponenten: eine Verbindung zur Absorption von Ultraschallwellen, ein Mikropartikel zur Viskositätskontrolle, ein Polymer zur Strukturgebung und ein Salz, das Wärme aufnimmt und die Verfestigung auslöst.
Junjie Yao, Ph.D., außerordentlicher Professor für Biomedizinische Technik an der Duke University, erläutert:
„Unsere Technologie basiert auf dem sono-thermischen Effekt, der die Temperaturerhöhung durch Absorption von Ultraschallwellen beschreibt. Wenn wir die Temperaturerhöhung durch Fokussierung der Ultraschallwellen präzise steuern können, leiten wir die Verfestigung der injizierten Tinte, sogar durch Gewebeschichten.“
Vom Prinzip zum Proof of Concept
Die Forscher demonstrierten die Wirksamkeit ihrer Technik, indem sie eine Vielzahl verschiedener Strukturen in einer Tintenkammer schufen, darunter mehrschichtige Honigwaben und komplexe Modelle wie eine Hand oder eine Spinne. Anschließend gelang es ihnen, verschiedene Strukturen durch verschiedene Gewebearten, einschließlich Schweineleber und mehrschichtige Gewebephantome, zu drucken.
In einem realitätsnahen Experiment verwendeten die Forscher das Herz einer Ziege und schlossen mit ihrer Technik erfolgreich einen Teil des Herzens ab. Dieses Verfahren, das normalerweise eine offene Herzoperation erfordert, könnte somit viel weniger invasiv gestaltet werden.
Ausblick
Die Methode erfordert hohe Energiemengen, was eine Überhitzung umliegender Gewebe zur Folge haben könnte. Um diesem Problem entgegenzuwirken, entwickelten die Forscher einen konfokalen Hochintensitäts-Ultraschalldrucker, der zwei Ultraschallgeber in einem kreuzenden Muster verwendet. Dadurch wird nicht nur die benötigte Energie reduziert, sondern auch Auflösung und Geschwindigkeit des Druckers verbessert.
Yao und Zhang arbeiten bereits seit mehreren Jahren an dieser 3D-Ultraschalldrucktechnologie. Ihre interdisziplinäre Zusammenarbeit vereint Expertise in Ultraschallbildgebung und Biochemie.
Die Forschung wurde durch verschiedene NIH-Grants und weitere Förderungen unterstützt. Sie beschreibt grundlegende Forschungsergebnisse, die ein fundamentales Verständnis für menschliches Verhalten und Biologie schaffen und somit die Grundlage für neue Diagnose- und Behandlungsmethoden bilden.