Никаких швов, никакой боли — машина напечатает внутри вас новую ткань, не вскрывая тело

Калифорнийский технологический институт представил революционную систему 3D-печати тканей внутри живого организма, не требующую хирургического вмешательства. Разработка, получившая название DISP (deep tissue in vivo sound printing), использует специальные биочернила, формирующие устойчивые структуры под воздействием ультразвука.

Современная медицина часто сталкивается с проблемой восстановления поврежденных участков тела. Со временем защитные механизмы слабеют: изнашиваются хрящи коленей, тазобедренные суставы утрачивают способность выдерживать нагрузку. При лечении онкологических заболеваний нередко требуется удаление элементов, которые организм не может воссоздать самостоятельно.

Сейчас у нас есть стандартные решения вроде готовых имплантатов груди или искусственных суставов, но они, увы, подходят далеко не всем. Появившаяся недавно технология биопечати позволяет создавать индивидуальные протезы, однако их приходится формировать снаружи, а затем вживлять хирургическим путём. Такой подход увеличивает риск образования рубцов, воспалений и инфекций, а также замедляет восстановление.

Прежние эксперименты по созданию имплантатов внутри тела опирались на световые методы. Инфракрасное излучение способно работать под тонким слоем кожи и мышц, но его эффективность резко снижается с глубиной проникновения. Как поясняет Сяо Куанг из Висконсинского университета в Мэдисоне, свет рассеивается и тускнеет, что ограничивает формирование надежных конструкций даже на миллиметровой глубине.

В 2023 году учёные разработали первую версию "соно-чернил" , затвердевающих при воздействии звуковых волн определённой частоты. Специалистам удалось создать различные формы внутри свиной печени, почек и устранить дефекты в сердце козы. Однако материал оказался чувствительным к механическим воздействиям, а тепло от ультразвука вызывало преждевременное застывание состава.

Новая система задействует усовершенствованный инъекционный биоматериал, сохраняющий текучесть при температуре тела. Состав включает несколько компонентов: свободно перемещающиеся молекулярные цепочки, способные соединяться при определённом сигнале; липидные пузырьки со связующими веществами, высвобождающимися под действием звуковых волн; и специальные маркеры, которые рассеивают колебания и светятся при активации, позволяя отслеживать процесс.

Метод уже успешно опробовали на животных. Внедрение проводящих наночастиц позволило создать эластичные биосенсоры для мониторинга физиологических показателей, включая работу сердца и активность мускулатуры. Команда также сконструировала микрорезервуары с противораковыми и антибактериальными препаратами, выделяющими лекарства при ультразвуковом воздействии.

В отличие от фотонных технологий, ограниченных проникающей способностью излучения, акустические волны достигают внутренних органов на расстоянии до двадцати сантиметров без ущерба окружающим тканям.

При тестировании разработки учёные синтезировали различные фигуры — звёзды, вертушки, капли и решётки — в разнообразных биологических средах, включая свиные и куриные органы. Производительность системы достигла сорока миллиметров в секунду, что соответствует показателям струйных принтеров. Доставку вещества к заданной области осуществляли посредством инъекций или катетеров.

В опытах на грызунах с онкологией мочевого пузыря специалисты сформировали особые хранилища для постепенного высвобождения медикаментов. Такое решение увеличивает продолжительность терапевтического воздействия на опухоль, тогда как обычно препараты быстро покидают организм. Успешные эксперименты провели и на более крупных животных: в мускулатуре конечностей и брюшной зоне кроликов удалось создать искусственные структуры на значительной глубине.

Возможности биоматериала можно расширять, добавляя углеродные нанотрубки, проводящие волокна и другие совместимые с организмом компоненты. Так появились электронные датчики для измерения активности живых клеток. Созданный состав не теряет свойств в течение 450 дней и не провоцирует иммунный ответ. Излишки вещества выводятся через естественный метаболизм или растворяются с помощью средств, применяемых при интоксикации тяжёлыми металлами.

Теперь команде предстоит преодолеть еще ряд сложностей. Конечно, все возможные целевые участки различаются по расположению, размеру и конфигурации, что влияет на распространение акустических сигналов и отвердевание состава. Особую проблему представляет работа с подвижными органами — лёгкими, сердцем, желудком, где непрерывные сокращения усложняют процесс формирования стабильных конструкций.

В решении этих задач может помочь компьютерный интеллект. Алгоритмы анализируют взаимосвязи между акустическими колебаниями, температурными показателями, характеристиками материалов и откликом организма для оптимизации моделирования. Цифровая система контроля сможет моментально адаптироваться к изменениям физиологического состояния, обеспечивая корректное затвердевание вещества в заданной форме.

Хотя до практического применения технологии пока далеко, уже сейчас очевидны её универсальность и широкие перспективы использования в медицине будущего.