3D プリント技術がネットワークを通じて構造物を作成 | BRILink と BRI エージェント

もし医師が何でも 3D プリントできたらどうなるでしょうか? を通して あなたの皮膚は組織層の下にインプラントまたは代替臓器を形成しますか? 医療の世界は変わりつつあります。さまざまなリスクを伴う多くの外科手術が、メスを持ち上げることなく実行できるようになります。

NIHの資金援助を受けた共同チームが、このスタートレックのようなファンタジーを現実のものにしようと取り組んでいる。彼らの仕事は、 本日公開 科学厚い多層組織を通して生体適合性構造を印刷する方法を説明します。その原理は、集束超音波と革新的な超音波感度インクの組み合わせです。

NIBIB 応用科学技術部門のプログラム ディレクターであるランディ キング博士は、「集束超音波は数十年にわたってさまざまな症状の治療に使用されており、診断ツールとしての安全性と有用性が強調されています」と述べています。「長年の技術進歩に基づくこの潜在的な新しいアプリケーションは、これまで不可能と考えられていたこと、つまり組織を介した 3D 超音波印刷への道を開く可能性があります。」

3Dプリントに超音波原理を利用する

一部の 3D 印刷技術では、エネルギーの一種である光を使用して「インク」を固めます。インクは樹脂やプラスチックなどの液体でできていることが多いのですが、光は皮膚や臓器をうまく通過できず、通過する際に散乱してしまいます。生物組織をうまく「印刷」するには、別のエネルギー源が必要です。

そこで超音波の出番です。光と比較すると、超音波は組織をより遠くまで伝わり、表面の奥深くまでエネルギーを届けることができます。超音波との相互作用によって固まるインクを提供することで、医師は人体の内部に、切開することなく生物学的に重要な構造を作り出すことができる可能性があります。

「私たちの技術は、超音波の吸収によって温度が上昇する音熱効果に基づいています」と、デューク大学の生物医学工学教授で本研究の主任著者であるジュンジエ・ヤオ博士は説明する。「超音波を集中させることで温度上昇を正確に制御できれば、注入したインクの凝固を組織層を通しても誘導することができます。」

このインクは、超音波を吸収する化合物、粘度を制御する微粒子、構造を提供するポリマー、熱を吸収する塩の 4 つの成分から作られています。ハーバード大学医学部の教授でバイオエンジニアでもある、この研究の主任著者である Y 氏は、「バイオインクの個々の成分は新しいものではありません。実際、バイオマテリアルの用途では何年も使用されています」と、ブリガム アンド ウィメンズ病院のシュライク チャン博士は述べています。「重要なのは、これらの成分を適切な割合で組み合わせることです。これにより、超音波にさらされても分解することなく、すぐに硬化するインクを作成できます。」

理論から概念実証へ

まず、研究者たちは超音波技術を使って 3D 形状を作成できるかどうかを確認したいと考えました。彼らは、新しいインクが入ったチャンバーの上に焦点を絞った超音波トランスデューサーを吊り下げました。トランスデューサーとインクの間には「マッチング媒体」がありました。これは、ほとんどの超音波法で使用される物質で、超音波の効率的な伝達を保証します。超音波トランスデューサーの複雑な 3D 動作を正確に制御するコンピューター プログラムを使用して、研究者たちはインク チャンバー内のさまざまな深さにさまざまな構造を作成することができました。これらの構造は幾何学的形状と複雑さに渡っており、多層ハニカム、血管の分岐ネットワーク、手やクモに似た複雑なモデルなどのオブジェクトが含まれていました。

次に、研究者たちは、この技術が生物組織を通して印刷できるかどうかを調べようとしました。彼らは、インクで満たされたチャンバーの上に厚い豚の組織 (最大 17 ミリメートルの厚さ) を置きました。研究者たちは、上部にトランスデューサーを設置し、超音波を組織を通して下のチャンバーに送りました。彼らは、豚の肝臓や、複数の層 (皮膚、脂肪、筋肉など) で構成された豚の組織のファントムなど、さまざまな種類の組織を通してさまざまな構造を印刷することに成功しました。

現実世界の手順を模倣するため、研究者らは生体外ヤギの心臓を使用して模擬手術を実施した。研究者らはカテーテルを使用して、超音波に敏感なインクを左心房に注入した。左心房は心臓内の血栓が発生する袋状の構造物である。研究者らはヤギの心臓の壁を通して超音波を使用してインクを固め、心臓のその部分を効果的に密閉した。左心耳閉鎖術と呼ばれるこの手順には開胸手術が必要になる場合があり、脳卒中のリスクが高い心房細動患者に実施されることもある。

これらの初期実験は、この概念実証の印刷方法が、侵襲性の高い外科手術をより安全で侵襲性の低いものに変える可能性があることを示している。「私たちの技術は、これまでほぼ不可能と思われていた低侵襲治療への斬新な道を実際に提供できる可能性があります」とヤオ氏は語った。

将来を見据えて

この集束超音波印刷技術は、高レベルのエネルギーを必要とする可能性があり、周囲の組織を加熱する可能性があります。これに対処するために、研究者は共焦点高強度超音波プリンターを開発しました。このシステムでは、横方向のビームパターンに整列した 2 つの超音波トランスデューサーを使用し、2 つの超音波波面が重なり合うようにします。この設計により、各トランスデューサーに必要なエネルギーが削減されるだけでなく、超音波プリンターの解像度と速度も向上します。

「私たちは、技術を安全性と効率性を向上させるために改良を続け、さまざまな医療用途に適応させることも検討していきます」と張氏は述べた。「私たちの方法はさまざまな低侵襲手術を可能にする可能性があると考えていますが、まだプロトタイプ技術であり、人間で評価する前にさらに最適化する必要があります。」

大学院時代からの知り合いであるヤオ氏とチャン氏は、過去数年間、3D超音波印刷技術に共同で取り組んできました。「数年にわたる協力により、超音波画像と生化学という独自のアプローチを組み合わせた新しい技術を生み出す機会が得られました」とヤオ氏は語ります。「お互いがいなければこの技術は生み出せなかったでしょう。これは、学際的なパートナーシップから生まれる独自の可能性を示しています。」

この研究は、NIBIB (R21EB025270、R21EB027981、R21EB027304、R01EB028143、R21EB027981、および R01EB031629)、国立心肺血液研究所 (R01HL153857、R01HL165176、および R01HL166522)、国立神経疾患・脳卒中研究所 (RF1NS115581 および R01NS111039)、および国立がん研究所 (R01CA282451) を含む NIH からの助成金によってサポートされました。その他の資金には、国立科学財団からの助成金が含まれます。

この科学概要では、基礎研究の成果について説明します。基礎研究は、人間の行動と生物学に関する理解を深め、病気の予防、診断、治療のための新しい、より優れた方法を開発するための基礎となります。科学は予測不可能で漸進的なプロセスです。各研究の進歩は、過去の発見に基づいており、予期せぬ形で行われることがよくあります。臨床の進歩のほとんどは、基礎研究の知識なしには不可能です。

研究参考文献: シャオ・クアン その他。 自己膨張ソノインクにより、深部浸透音響ボリューム印刷が可能になります。 科学 3821148-1155(2023) DOI:10.1126/科学.etc1563

ここで見られるグラフとNIBIBのウェブサイトに掲載されているグラフは、以下のデータから引用したものです。 科学 出版物。