Ιστορικό επίτευγμα: Επιστήμονες «εκτυπώνουν» υλικό 3D μέσα στο ανθρώπινο σώμα με υπερήχους

Μια πρωτοποριακή μέθοδος 3D εκτύπωσης βιοϋλικών μέσα στο ανθρώπινο σώμα, χρησιμοποιώντας υπερήχους, αναπτύχθηκε από επιστήμονες στις ΗΠΑ, φέρνοντας σημαντικές προοπτικές για την ιατρική και τις θεραπείες σε βάθος ιστών. Η τεχνική αυτή, που φέρει την ονομασία DISP (Deep Tissue In Vivo Sound Printing), επιτρέπει την εκτύπωση υδροτζέλ σε βαθιά εσωτερικά όργανα χωρίς την ανάγκη χειρουργικής επέμβασης ή εξωτερικής πρόσβασης.

Στο επίκεντρο της καινοτομίας βρίσκεται μια ειδική «βιομελάνη» (bioink), η οποία περιέχει πολυμερείς αλυσίδες και διασταυρωτικούς παράγοντες (crosslinkers), οι οποίοι επιτρέπουν τη σκλήρυνση του υλικού σε μορφή υδροτζέλ. Ωστόσο, για να αποφευχθεί η πρόωρη σκλήρυνση, οι διασταυρωτικοί παράγοντες είναι παγιδευμένοι μέσα σε λιποσώματα, δηλαδή μικροσκοπικά σωματίδια με λιπιδική μεμβράνη. Αυτά τα λιποσώματα παραμένουν σταθερά μέχρι να θερμανθούν στους 41,7 °C, δηλαδή μόλις λίγους βαθμούς πάνω από τη φυσιολογική θερμοκρασία του σώματος.

Η ενεργοποίηση αυτών των λιποσωμάτων γίνεται μέσω στοχευμένης δέσμης υπερήχων, η οποία θερμαίνει επιλεκτικά την περιοχή, διασπά τα λιποσώματα και απελευθερώνει τους διασταυρωτικούς παράγοντες, προκαλώντας τη σκλήρυνση της βιομελάνης ακριβώς στο σημείο που απαιτείται. Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες κατάφεραν να «εκτυπώσουν» πολύπλοκα σχήματα όπως αστέρια και δάκρυα εντός του σώματος.

Σε αντίθεση με προηγούμενες μεθόδους που χρησιμοποιούσαν υπέρυθρο φως για την εκτύπωση υδροτζέλ, η χρήση υπερήχων παρέχει σαφές πλεονέκτημα: η διείσδυσή τους φτάνει πολύ βαθύτερα από το δέρμα, καθιστώντας δυνατή την εφαρμογή της τεχνικής σε εσωτερικούς μύες και όργανα. Όπως εξηγεί ο καθηγητής βιοϊατρικής μηχανικής του Caltech, Wei Gao, η νέα τεχνολογία συνδυάζει ακριβή στόχευση, βιοσυμβατότητα και ευρύ φάσμα εφαρμογών.

Οι ερευνητές πραγματοποίησαν πειράματα σε ποντίκια και κουνέλια, καταφέρνοντας να εκτυπώσουν τεχνητό ιστό σε βάθος έως 4 εκατοστά κάτω από την επιφάνεια του δέρματος. Η εφαρμογή αυτή θα μπορούσε να αποδειχθεί εξαιρετικά χρήσιμη για την επιτάχυνση της επούλωσης τραυμάτων ή την αποκατάσταση τραυματισμένων οργάνων, ειδικά αν η βιομελάνη ενισχυθεί με ζωντανά κύτταρα.

Μια άλλη σημαντική δοκιμή περιλάμβανε την χορήγηση χημειοθεραπευτικού φαρμάκου (δοξορουβικίνη) σε καρκινικά κύτταρα της ουροδόχου κύστης. Οι επιστήμονες ενσωμάτωσαν το φάρμακο στη βιομελάνη και το μετέτρεψαν σε υδροτζέλ μέσα στον οργανισμό, επιτυγχάνοντας βραδεία και στοχευμένη απελευθέρωση του φαρμάκου για αρκετές ημέρες. Τα αποτελέσματα έδειξαν αυξημένη θνησιμότητα των καρκινικών κυττάρων συγκριτικά με την απλή έγχυση του φαρμάκου.

Πέρα από τις θεραπείες, οι ερευνητές προχώρησαν και στην εκτύπωση αγώγιμων υδροτζέλ, ενσωματώνοντας νανοσωλήνες άνθρακα και νανοσύρματα αργύρου. Αυτά τα υλικά μπορούν να αξιοποιηθούν σε εμφυτεύσιμους αισθητήρες για την καταγραφή της θερμοκρασίας ή της ηλεκτρικής δραστηριότητας της καρδιάς και των μυών, μελλοντικά ίσως και για ηλεκτροκαρδιογραφήματα (ECG) σε πραγματικό χρόνο μέσα στο σώμα.

Ένα σημαντικό εύρημα των ερευνών ήταν η απουσία τοξικότητας από το υδροτζέλ, ενώ η περίσσεια υγρής βιομελάνης αποβάλλεται φυσικά από το σώμα εντός επτά ημερών. Αυτή η βιοσυμβατότητα, σε συνδυασμό με την ακρίβεια της μεθόδου, καθιστά την τεχνική εξαιρετικά υποσχόμενη για μελλοντική κλινική χρήση.

Παρά τις ενθαρρυντικές ενδείξεις, η μετάβαση από τα ζωικά μοντέλα στις ανθρώπινες κλινικές δοκιμές παραμένει το επόμενο κρίσιμο βήμα. Η επιστημονική ομάδα σχεδιάζει να δοκιμάσει τη μέθοδο σε μεγαλύτερα ζώα, με στόχο την τελική εφαρμογή της σε ανθρώπους. Σύμφωνα με τον Gao, το μακροπρόθεσμο όραμα περιλαμβάνει τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης για τον αυτόματο, υψηλής ακρίβειας εντοπισμό και εκτύπωση βιοϋλικών ακόμα και μέσα σε κινούμενα όργανα, όπως η καρδιά.

[via]