Ultraschallgesteuerter 3D-Druck im Körper für eine bessere Behandlung von Krankheiten

Eine kürzlich von amerikanischen Forschern durchgeführte Studie hat die Entwicklung einer Methode zum 3D-Druck direkt im Körper mithilfe von Ultraschall ermöglicht. Konkret soll das Team in der Lage sein, mit Zellen beladene 3D-Formen in das Innere des Körpers zu injizieren und sie mithilfe von Ultraschall an die Stellen zu bringen, an denen eine Behandlung erforderlich ist. Ziel ist es also, medikamentöse Substanzen oder die richtigen Zellen so nah wie möglich an einer Krankheit zu verabreichen. Erste Tests wurden erfolgreich an Mäusen und Kaninchen durchgeführt und legen nahe, dass es möglich sein könnte, beschädigtes Gewebe direkt in ihrem Körper zu reparieren. Die Technik mit dem Namen „Deep tissue in vivo sound printing“ (DISP) stellt einen großen Fortschritt für den Bereich der additiven Fertigung im medizinischen Bereich dar.

Es ist bekannt, dass 3D-Technologien eine äußerst nützliche Ressource für das Gesundheitswesen sind. Sie können sowohl maßgeschneiderte Implantate entwerfen, die in den menschlichen Körper integriert werden, als auch Gewebe, das beispielsweise direkt auf die Haut aufgetragen wird. Meistens ist jedoch eine invasive chirurgische Implantation erforderlich, die den gesamten Prozess verlängert und verkompliziert. Aus diesem Grund hat ein Team von Wissenschaftlern des California Institute of Technology (Caltech) eine Druckplattform entwickelt, die bildgesteuerten Ultraschall einsetzt, um 3D-Materialien tiefer in den Körper zu platzieren. Anders als beispielsweise Infrarotlicht kann Ultraschall bis in die Muskeln und Organe vordringen.

Schema des DISP-Verfahrens (Bild: Elham Davoodi und Wei Gao)

Ultraschallgesteuerter 3D-Druck: Funktionsweise und Tests

Die Forscher verwendeten einen fokussierten Ultraschallstrahl und eine speziell formulierte Biotinte. Die Tinte ist ein Hydrogel, das aus Polymerketten und Vernetzungsmitteln besteht. Hinzu kommen Inhaltsstoffe, die für die zu behandelnde Krankheit spezifisch sind. Die genannten Vernetzer sind in Partikeln auf Liposomenbasis eingekapselt. Dies sind Lipide, deren äußere Hüllen unter Hitzeeinwirkung (ca. 40 Grad) verschwinden. Diese Liposomen verhindern, dass sich die Biotinte bildet, sobald sie aufgetragen wird, und ermöglichen es daher, die Vernetzung besser zu kontrollieren und ihre Geschwindigkeit zu erhöhen. Auf diese Weise konnte das Team Sterne und Wassertropfen erzeugen.

Die Forscher erklären, dass ihre DISP-Methode in der Lage ist, leitfähige Biomaterialien zu drucken, die aber auch mit Medikamenten, Zellen oder Bioadhäsiven beladen werden können, sodass sie eine Vielzahl von Krankheiten behandeln können. So konnten sie sie in die Muskeln der Kaninchenpfoten einbringen, aber auch in der Nähe der kranken Blase einer Maus. Wei Gao, ein biomedizinischer Ingenieur am Caltech, fügte hinzu: „Die Infrarotstrahlung dringt nur sehr begrenzt ein. Sie erreicht nur die Unterseite der Haut. Unsere neue Technik erreicht das tiefere Gewebe und kann eine Vielzahl von Materialien für eine breite Palette von Anwendungen drucken, wobei eine hervorragende Biokompatibilität erhalten bleibt.“

Beispiele für 3D-gedruckte Formen (Bild: Elham Davoodi und Wei Gao)

Bei Kaninchen erreichten die Wissenschaftler Tiefen von bis zu vier Zentimetern unter der Haut. Für die Tests bei der Maus, die an Blasenkrebs litt, belasteten sie den Biotank mit Doxorubicin, einem Medikament, das in der Chemotherapie eingesetzt wird und das Wachstum von Zellen verlangsamt oder stoppt. Das Team stellte fest, dass die Krebszellen durch die Anwendung der DISP-Methode viel schneller und stärker eliminiert wurden als durch die herkömmliche Injektion des Medikaments.

Wei Gao fasst zusammen: „Unser nächster Schritt wird der Versuch sein, in einem größeren Tiermodell zu drucken, und wenn alles gut läuft, können wir es in naher Zukunft beim Menschen evaluieren. In Zukunft möchten wir mithilfe von KI selbstständig einen hochpräzisen Druck im Inneren eines sich bewegenden Organs, wie z. B. eines schlagenden Herzens, auslösen können.“ Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, klicken Sie bitte HIER.

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*Titelbildnachweis: Futura Sciences