3D-Druck mit Ultraschall erzeugt Objekte im Inneren von Lebewesen

Mechanik

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 16.05.2025

Schematische Darstellung der 3D-Druckplattform im Inneren von Lebewesen – die Technik wurde DISP genannt, ein Akronym für Deep Tissue In Vivo Sonic Printing. [Bild: Elham Davoodi et al. - 10.1126/science.adt0293]

3D-Druck mit Ton

Der 3D-Druck muss nichts mehr beweisen, da die additive Fertigung sich in nahezu allen Anwendungsbereichen durchsetzt.

Das Unternehmen besteht jedoch darauf, neue Talente zu fördern, und eine neue Ultraschalltechnologie verspricht nun nichts weniger als den Druck medizinischer Geräte im menschlichen Körper – sogar im Herzen.

Elham Davoodi und Kollegen am California Institute of Technology haben eine Methode zum 3D-Drucken von Polymeren an bestimmten Stellen tief im Inneren von Lebewesen entwickelt.

Die Technik nutzt Schall zur Lokalisierung und wurde bereits durch den Druck von Polymerkapseln zur selektiven Arzneimittelverabreichung sowie von Polymeren mit Klebeeigenschaften zum Verschließen innerer Wunden getestet.

Bei früheren Tests dieses Konzepts wurde Infrarotlicht verwendet, um die Polymerisation auszulösen – die Verbindung zwischen den Bausteinen (Monomeren), die das Aushärten oder Aushärten des Polymers bewirkt. Infrarotstrahlung dringt jedoch nur sehr schwach in biologisches Gewebe ein und reicht kaum über die Haut hinaus.

„Unsere neue Technik erreicht tiefes Gewebe und kann eine Vielzahl von Materialien für ein breites Anwendungsspektrum drucken, und das alles bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hervorragenden Biokompatibilität“, sagte Professor Wei Gao.

Für In-vivo-3D-Bioprinting verwendete Ausrüstung. [Bild: Elham Davoodi et al. - 10.1126/science.adt0293]

In-vivo-3D-Biodruck

Die Technik kombiniert Ultraschall mit kälteempfindlichen Liposomen. Diese Liposomen, kugelförmige zellähnliche Vesikel mit schützenden Fettschichten, werden häufig zur Arzneimittelverabreichung verwendet.

Um das 3D-Bioprinting zu testen, beluden die Forscher die Liposomen mit einem Vernetzungsmittel und betteten sie in eine Polymerlösung ein. Diese enthielt die Monomere des Polymers, das sie drucken wollten, ein bildgebendes Kontrastmittel, um anzuzeigen, wann eine Vernetzung stattgefunden hatte, und die Nutzlast – die beispielsweise ein therapeutisches Medikament sein könnte.

Auch die Einbindung zusätzlicher Komponenten, wie Zellen und leitfähiger Materialien wie Kohlenstoff- oder Silbernanoröhren, ist möglich. Die resultierende Biotinte wird dann direkt in den Körper injiziert.

Liposomenpartikel reagieren empfindlich auf niedrige Temperaturen. Das bedeutet, dass durch die Verwendung von fokussiertem Ultraschall zur Erhöhung der Temperatur eines kleinen Zielbereichs um etwa 5 Grad Celsius die Freigabe der Nutzlast ausgelöst wird, wodurch der Druck der Polymere eingeleitet wird.

„Eine Erhöhung der Temperatur um wenige Grad Celsius genügt, damit das Liposompartikel unsere Vernetzungsmittel freisetzt“, sagte Gao. „Die Polymerisation bzw. der lokale Druck findet an der Stelle statt, an der die Wirkstoffe freigesetzt werden.“

Einige Hydrogel-Polymerstrukturen, die mit der In-vivo-Schalldrucktechnik gedruckt wurden (links) und mit einem Vernetzungsmittel beladene, temperaturempfindliche Liposomen (rechts). [Bild: Elham Davoodi et al. - 10.1126/science.adt0293]

Krebsbehandlung

Um das Potenzial der neuen Technik zu demonstrieren, verwendete das Team aus Bakterien gewonnene Gasbläschen als Kontrastmittel für die Bildgebung. Die Vesikel, luftgefüllte Proteinkapseln, sind auf Ultraschallbildern hell zu sehen und reagieren empfindlich auf die chemischen Veränderungen, die auftreten, wenn sich die flüssige Monomerlösung vernetzt und ein Gelnetzwerk bildet.

Nach der Umwandlung des Materials verändert sich der Kontrast der Vesikel, was durch Ultraschallbilder erkannt wird. So lässt sich leicht feststellen, wann und wo genau die Polymerisationsvernetzung stattgefunden hat. Dadurch ist es möglich, den Prozess zu optimieren und die in lebende Tiere gedruckten Muster individuell anzupassen.

Als das Team die Plattform nutzte, um mit Doxorubicin, einem Chemotherapeutikum, beladene Polymere in der Nähe eines Blasentumors bei Mäusen zu drucken, war die Tumorzelltodrate mehrere Tage lang wesentlich höher als bei Tieren, denen das Medikament durch direkte Injektion von Arzneimittellösungen verabreicht wurde.

„Wir haben bereits an einem kleinen Tier gezeigt, dass wir medikamentenhaltige Hydrogele zur Behandlung von Tumoren drucken können“, sagte Gao. „Unser nächster Schritt wird der Druckversuch an einem größeren Tiermodell sein und hoffentlich werden wir in naher Zukunft in der Lage sein, dies am Menschen zu evaluieren.“

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