Les ondes sonores durcissent les traitements imprimés en 3D dans les tissus profonds

Des ingénieurs de l’Université Duke et de la Harvard Medical School ont développé une encre biocompatible qui se solidifie en différentes formes et structures 3D en absorbant les ondes ultrasonores. Parce qu’elle réagit aux ondes sonores plutôt qu’à la lumière, l’encre peut être utilisée dans les tissus profonds à des fins biomédicales allant de la cicatrisation osseuse à la réparation des valvules cardiaques.

Ce travail paraît dans la revue Science.

Les utilisations des outils d’impression 3D ne cessent de croître. Les imprimeurs créent des prototypes de dispositifs médicaux, conçoivent des composants électroniques flexibles et légers et fabriquent même des tissus utilisés dans la cicatrisation des plaies. Cependant, bon nombre de ces techniques d’impression impliquent la construction de l’objet point par point dans le cadre d’un processus lent et ardu qui nécessite souvent une plate-forme d’impression robuste.

Pour contourner ces problèmes, les chercheurs ont développé au cours des dernières années une encre photosensible qui répond directement aux faisceaux de lumière ciblés et durcit rapidement pour former la structure souhaitée. Bien que cette technique d'impression puisse améliorer considérablement la vitesse et la qualité d'une impression, les chercheurs ne peuvent utiliser que des encres transparentes pour les impressions, et les objectifs biomédicaux sont limités, car la lumière ne peut pas pénétrer au-delà de quelques millimètres de profondeur dans les tissus.

Maintenant, Y. Shrike Zhang, bio-ingénieur associé au Brigham and Women's Hospital et professeur agrégé à la Harvard Medical School, et Junjie Yao, professeur agrégé de génie biomédical à Duke, ont développé une nouvelle méthode d'impression appelée impression volumétrique acoustique à pénétration profonde, ou DVAP. , cela résout ces problèmes.

Cette nouvelle technique fait appel à une encre spécialisée qui réagit aux ondes sonores plutôt qu’à la lumière, leur permettant de créer des structures biomédicalement utiles à des profondeurs tissulaires sans précédent.

“DVAP s'appuie sur l'effet sonothermique, qui se produit lorsque les ondes sonores sont absorbées et augmentent la température pour durcir notre encre”, a expliqué Yao, qui a conçu la technologie d'impression par ultrasons pour DVAP. “Les ondes ultrasonores peuvent pénétrer plus de 100 fois plus profondément que la lumière tout en restant confinées dans l'espace, ce qui nous permet d'atteindre les tissus, les os et les organes avec une précision spatiale élevée qui n'étaient pas accessibles avec les méthodes d'impression basées sur la lumière.”

Le premier composant du DVAP implique une encre soniquée, appelée sono-ink, qui est une combinaison d'hydrogels, de microparticules et de molécules conçues pour réagir spécifiquement aux ondes ultrasonores. Une fois que l'encre sono est délivrée dans la zone cible, une sonde d'impression ultrasonore spécialisée envoie des ondes ultrasonores focalisées dans l'encre, en durcissant des parties de celle-ci en structures complexes.

Ces structures peuvent aller d’un échafaudage hexagonal qui imite la dureté des os à une bulle d’hydrogel qui peut être placée sur un organe.

“L'encre elle-même est un liquide visqueux, elle peut donc être injectée assez facilement dans une zone ciblée, et lorsque vous déplacez la sonde d'impression par ultrasons, les matériaux contenus dans l'encre se lient et durcissent”, a déclaré Zhang, qui a conçu le sono. -encre dans son laboratoire au Brigham. “Une fois que c'est fait, vous pouvez retirer toute encre restante qui n'est pas solidifiée à l'aide d'une seringue.”

Les différents composants de l'encre sono permettent aux chercheurs d'adapter la formule à une grande variété d'utilisations. Par exemple, s’ils souhaitent créer un échafaudage pour aider à guérir un os cassé ou compenser une perte osseuse, ils peuvent ajouter des particules minérales osseuses à l’encre. Cette flexibilité leur permet également de concevoir la formule durcie pour qu'elle soit plus durable ou plus dégradable, en fonction de son utilisation. Ils peuvent même ajuster les couleurs de leur impression finale.

L'équipe a mené trois tests comme preuve de concept de leur nouvelle technique. La première consistait à utiliser l’encre pour sceller une section du cœur d’une chèvre. Lorsqu'un humain souffre de fibrillation auriculaire non valvulaire, le cœur ne bat pas correctement, ce qui provoque une accumulation de sang dans l'organe. Le traitement traditionnel nécessite souvent une chirurgie thoracique ouverte pour sceller l'appendice auriculaire gauche afin de réduire le risque de caillots sanguins et de crise cardiaque.

Au lieu de cela, l’équipe a utilisé un cathéter pour administrer son encre sonore à l’appendice auriculaire gauche d’un cœur de chèvre placé dans une chambre d’impression. La sonde à ultrasons a ensuite délivré des ondes ultrasonores focalisées à travers 12 mm de tissu, durcissant l'encre sans endommager les organes environnants. Une fois le processus terminé, l’encre était liée en toute sécurité au tissu cardiaque et était suffisamment flexible pour résister aux mouvements imitant les battements du cœur.

Ensuite, l'équipe a testé le potentiel d'utilisation du DVAP pour la reconstruction et la régénération des tissus. Après avoir créé un modèle de défaut osseux à l’aide d’une cuisse de poulet, l’équipe a injecté l’encre sono et l’a durcie à travers 10 mm d’échantillons de couches de tissus cutanés et musculaires. Le matériau résultant s’est parfaitement collé à l’os et n’a eu aucun impact négatif sur les tissus environnants.

Enfin, Yao et Zhang ont montré que le DVAP pouvait également être utilisé pour l’administration de médicaments thérapeutiques. Dans leur exemple, ils ont ajouté un médicament de chimiothérapie courant à leur encre, qu’ils ont administré pour prélever des échantillons de tissu hépatique. À l’aide de leur sonde, ils ont durci l’encre sono en hydrogels qui ont lentement libéré la chimiothérapie et se sont diffusés dans les tissus hépatiques.

“Nous sommes encore loin d'introduire cet outil en clinique, mais ces tests ont réaffirmé le potentiel de cette technologie”, a déclaré Zhang. “Nous sommes très impatients de voir où cela peut nous mener à partir de maintenant.”

“Comme nous pouvons imprimer à travers les tissus, cela permet de nombreuses applications potentielles en chirurgie et en thérapie qui impliquent traditionnellement des méthodes très invasives et perturbatrices”, a déclaré Yao. “Ce travail ouvre une nouvelle voie passionnante dans le monde de l'impression 3D, et nous sommes ravis d'explorer ensemble le potentiel de cet outil.”