Neues Ultraschallverfahren könnte 3D-Druck im Körper ermöglichen

Könnten Sie sich eine Welt vorstellen, in der es möglich wäre, Organe oder Gewebe direkt in Ihrem Körper in 3D zu drucken? Auch wenn dies wie Science-Fiction klingen mag, haben Forscher der Duke University und der Harvard Medical School dies eventuell bereits möglich gemacht. Sie haben ein neues 3D-Druckverfahren entwickelt, bei dem fokussierter Ultraschall und eine biokompatible Tinte zum Einsatz kommen, die von der Knochenheilung bis zur Herzklappenreparatur eingesetzt werden könnten. Man hofft, dass dies den Weg zu sichereren und weniger invasiven chirurgischen Verfahren ebnen wird.

Obwohl die Vorteile der additiven Fertigung im medizinischen Bereich, einschließlich des wachsenden Bioprinting-Bereichs, seit langem gepriesen werden, gibt es immer noch Hindernisse, insbesondere wenn es um das Drucken im Körper selbst geht. Das liegt daran, dass viele der derzeitigen Verfahren entweder auf Extrusion oder Photopolymerisation beruhen, die beide nicht für den 3D-Druck im Gewebe geeignet sind.

Bei dieser Technik wird ultraschallempfindliche Tinte verwendet, um 3D-Strukturen in verschiedenen Tiefen aufzubauen, auch durch Gewebe im menschlichen Körper hindurch.

Bei der Extrusion liegt der Grund dafür, dass sie nicht im Körper durchgeführt werden kann, auf der Hand: Wie würde man den Apparat in den Körper einführen? Und wenn man den Körper ohnehin aufschneiden muss, warum nicht das Ganze gleich von außen durchführen? Der 3D-Druck im Körper ist jedoch auch mit den verschiedenen Photopolymerisationsverfahren, die derzeit entwickelt werden, nicht möglich. Und warum? Nun, ganz einfach: Licht kann nicht durch Haut und Organe dringen, da es beim Durchdringen gestreut wird.

Das neue Verfahren namens DVAP (Deep Penetrating Acoustic Volumetric Printing) könnte helfen, diese Probleme zu überwinden. Randy King, Ph.D., Programmleiter in der Abteilung für angewandte Wissenschaft und Technologie der NIBIB, erklärt: „Fokussierter Ultraschall wird seit Jahrzehnten zur Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten eingesetzt, was seine Sicherheit und seinen Nutzen als klinisches Instrument unterstreicht. Diese potenzielle neue Anwendung, die auf jahrelangen technologischen Fortschritten aufbaut, könnte die Voraussetzungen für etwas schaffen, das bisher als unmöglich galt: 3D-Ultraschalldruck durch das Gewebe.“

Wie funktioniert Ultraschall 3D-Druck?

Wie Dr. King erwähnte, ist fokussierter Ultraschall in der Medizin nicht neu. Das National Institute of Health definiert ihn als „eine nicht-invasive therapeutische Technik, die Ultraschallwellen auf einen bestimmten Ort richtet.“ Er wird bereits bei der Behandlung von Lebertumoren, Gebärmuttermyomen und sogar der Parkinson-Krankheit eingesetzt. Dies ist jedoch das erste Mal, dass er speziell für den medizinischen 3D-Druck eingesetzt wird.

Was die Funktionsweise von DVAP betrifft, so ist es mit anderen biomedizinischen 3D-Druckverfahren vergleichbar, insbesondere mit denen, die lichtempfindliche Tinten und gezieltes Licht verwenden. In diesem Fall wurde jedoch eine sonische Tinte oder Sono-Tinte entwickelt, eine Tinte, die auf Ultraschall reagiert. Die Tinte selbst besteht aus vier separaten Komponenten: einer Verbindung zur Absorption von Ultraschallwellen, einem Mikropartikel, das zur Kontrolle der Viskosität beiträgt, einem Polymer, das für Struktur sorgt, und einem Salz, das Wärme absorbiert, um die Verfestigung auszulösen. Im Zusammenspiel ermöglicht dies den Druck von biokompatiblen Strukturen, selbst durch das dicke, mehrschichtige Gewebe des Körpers hindurch.

Ein genauerer Blick auf die Funktionsweise des DVAP-Prozesses

Diese Tinte kann auch für verschiedene Anwendungen angepasst werden, z. B. durch Zugabe von Knochenmineralpartikeln zur Heilung von Knochenschwund. Außerdem könnte sie je nach den Bedürfnissen der Patienten haltbarer oder abbaubarer gemacht werden. Ein Maß an Flexibilität, das für medizinische Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist und das sich gut mit dem von den Forschern selbst entwickelten konfokalen Ultraschalldrucker mit hoher Intensität kombinieren lässt, der so angepasst wurde, dass er sowohl die Geschwindigkeit als auch die Auflösung verbessert.

Das Verfahren wurde von Y. Shrike Zhang, Associate Bioengineer am Brigham and Women’s Hospital und Associate Professor an der Harvard Medical School, und Junjie Yao, Associate Professor für Biomedizintechnik in Duke, entwickelt. Zur Funktionsweise erklärt Yao: „DVAP beruht auf dem sonothermischen Effekt, der auftritt, wenn Schallwellen absorbiert werden und die Temperatur erhöhen, um unsere Tinte zu härten. Ultraschallwellen können mehr als 100-mal tiefer als Licht eindringen und sind dennoch räumlich begrenzt, so dass wir Gewebe, Knochen und Organe mit hoher räumlicher Präzision erreichen können, die mit lichtbasierten Druckverfahren nicht erreichbar waren.“

Darüber hinaus würde DVAP dank der Verwendung von Ultraschallwellen nicht nur den körpereigenen 3D-Druck ermöglichen, sondern könnte sogar mit biologischem Gewebe kompatibel sein. Zhang und Yao haben das Verfahren bereits bei der Herstellung von Gewebe für eine Schweineleber sowie bei einer Scheinoperation an einem Ziegenherz getestet. Auch diese Experimente haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt, so dass ein Verfahren wie DVAP in Zukunft möglicherweise hochinvasive chirurgische Eingriffe ersetzen kann.

Yao fasst zusammen: „Da wir durch Gewebe hindurch drucken können, ergeben sich viele potentielle Anwendungen in der Chirurgie und Therapie, die traditionell sehr invasive und störende Methoden erfordern. Diese Arbeit eröffnet einen aufregenden neuen Weg in der Welt des 3D-Drucks, und wir freuen uns darauf, das Potential dieses Werkzeugs gemeinsam zu erforschen.“ Weitere Informationen finden Sie in der Pressemitteilung des National Institute of Health HIER.

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*Bildnachweise: Junjie Yao (Duke University) und Yu Shrike Zhang (Harvard Medical School und Brigham and Women’s Hospital)