《科学》超音波技術を使って豚の深部3Dプリントを実現

はじめに:超音波 3D 印刷技術は、音波でインクを硬化させる独自の方法を使用しており、不透明な媒体内や深い浸透深度での体内での体積 3D 印刷を可能にします。将来この技術が医療業界で活用されれば、手術をせずに内科手術ができるようになるのでしょうか？

△ 左心耳全体に音波インクを送達して硬化させる低侵襲的な方法を通じて、研究者らは、集束超音波技術を使用した深部音響体積印刷（DVAP）印刷方法の開発に成功したことを強調した。
2023年12月9日、アンタークティックベアは、デューク大学とハーバード大学医学部のシャオ・クアン博士が率いるチームが、超音波を吸収してさまざまな3D形状や構造に固化できる生体適合性インクを開発したことを知りました。このインクは光ではなく音波に反応するため、骨の治癒から心臓弁の修復まで、生物医学的な目的で組織の奥深くに塗布することができます。彼らの研究結果は12月7日付けの科学誌「サイエンス」に掲載された。

△論文「自己強化型音響インクが深部浸透音響ボリューム印刷を可能にする」（ポータル）
DVAPは社内で3Dプリントが可能

研究者らは3Dプリント法を強調し、クアン氏のチームは「集束超音波の深部浸透により、不透明なナノ複合材料の体積製造と数センチメートルの厚さの組織を通したプリントが可能になる。これは最先端の写真プリント技術では実現できない」と述べた。

研究者らは、ボリューム印刷は、層ごとに印刷する方法よりも速く、表面品質の優れた物体を構築できる 3D 印刷技術であると指摘しています。光は、分子の結合を誘発して光学的に透明なインクの材料を構築するためによく使用され、このプロセスは光重合と呼ばれます。

しかし研究者らは、さまざまな要因により材料の選択肢が限られていると指摘している。これらには、インクによる光の散乱、インク内の機能性添加剤の存在、および建築材料の硬化部分による光の遮断が含まれます。

クアン氏とその同僚は、超音波は物質のより深くまで浸透できるため、これらの限界を克服する鍵となる可能性があると考えている。彼らは、熱反応性適応吸収体を使用して粘性ゲルを形成し、熱誘発重合が始まったときに流れを防ぐという手法を、集束超音波とソノインクを使用して開発しました。

△DeepSound音響ボリュームプリンティング技術は、ヤギの心臓の左心耳（LAA）を閉じるために使用され、心臓内で血栓が形成されるリスクを軽減することができます。プリントされた構造は心臓壁に適合し、非常に伸縮性があります。この技術では、このタイプの心臓手術では胸を開く必要がない。
不透明な媒体を数センチメートルの深さまで浸透できる

深層音響ボリュームプリンティングでは、深部まで浸透する音響エネルギーを持つ集束超音波が最大 64 mm の局所領域に送信されます。研究者らは、エネルギーは最大数十メガパスカルの圧力で伝達されたと報告している。そこから、高音圧下での非線形音伝播効果により、小さな楕円形の超音波焦点領域がさらに狭まります。研究チームによれば、これにより高速かつ高解像度の印刷が可能になるという。

「したがって、深層音響体積印刷により、不透明で光学的に散乱する材料を通してでも、幾何学的に複雑な材料を正確かつ体積印刷することが可能になります」と研究チームは付け加えた。

△ 共焦点深浸透音響ボリュームプリンティングを使用して、2次元血管ネットワーク（75 mm x 25 mm）を80秒で印刷します。
研究者らは、深層音響ボリュームプリンティングにより、ナノ複合材料を使用して不透明媒体にミリメートル規模およびセンチメートル深さの物体を迅速に印刷できることを発見しました。

研究チームは、SonoInk を注入した体外組織でこのアプローチをテストしました。研究では、この方法が人工骨を原位置で作製し、左心耳を閉じるのに成功したことがわかった。研究者らは「治療後、硬化したハイドロゲルは左心耳を完全に閉塞し、組織壁にしっかりと接着し、心臓の鼓動を模倣する適度な歪みにも耐えることができた」と強調した。

研究者らはまた、豚の腎臓組織から血管網、手、中空のハート型モデルなどの解剖学的構造を3Dプリントし、豚の肝臓組織から格子構造をプリントすることにも成功した。研究著者らは、自己強化型超音波インクの設計はさまざまなシステムに一般化できると指摘し、この機能により音響印刷技術の材料ライブラリが拡張される可能性があると付け加えている。

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