Починить орган изнутри: как работают «умные чернила»?

Хотя наука не стоит на месте, есть лишь один орган, который можно без последствий заменить распечатанным на 3D-принтере, — это мочевой пузырь. Впервые его пересадили человеку еще в 1999 году. Тогда ученые напечатали на биопринтере каркас и нарастили на него клетки пациента. Потом были эксперименты с другими органами, но такого эффекта больше достичь не удалось. Все упирается в то, что организм отторгает инородные структуры.

Сложно создавать и полноценные рабочие сосудистые системы из-за небольшого диаметра капилляров. Правда, в последние годы эту проблему частично решили с помощью биосовместимых гидрогелей. Кроме того, ученым даже удалось сконструировать модель легких, которая может насыщать кровь кислородом. Но проблемы с мелкими деталями все еще не решены.

В России тоже экспериментируют с печатью органов. В 2018 году отечественные ученые заявили о том, что успешно пересадили мыши искусственную щитовидную железу. Она прижилась и доказала свою жизнеспособность. В том же году российскому космонавту Олегу Кононенко впервые в мире удалось создать на биопринтере в условиях невесомости не только конструкт щитовидной железы мыши, но и хрящевую ткань человека.

Олег Кононенко Фото: © Андрей Шелепин

Резать не надо

Но что, если можно создавать искусственные конструкции не на платформе 3D-принтера, а прямо в организме человека? Недавние опыты исследователей из Duke University и Harvard Medical School доказали, что это возможно. Их новаторство — специальные «чернила», представляющие собой смесь из гидрогелей, микрочастиц и молекул, которые реагируют на ультразвук.

Существует похожая технология с использованием фоточувствительных «чернил», которые реагируют на направленные лучи света и быстро затвердевают, приобретая желаемую структуру. Но при таком методе используются только прозрачные вещества, и свет не может проникать в ткань глубже нескольких миллиметров.

Новые же «чернила» реагируют на звуковые волны, что позволяет создавать структуры на беспрецедентной глубине. Ультразвуковые волны могут проникать в 100 раз глубже (и даже больше), чем свет, воздействуя при этом на конкретную область. Как только вещество достигает нужной точки, специальный датчик посылает туда  сфокусированные волны. После этого введенное вещество затвердевает, превращаясь в сложные структуры: от шестиугольного каркаса, имитирующего твердость кости, до пузыря гидрогеля, который можно разместить на органе.

Эти образцы демонстрируют, как вещество может превращаться 
в конкретные фигуры под воздействием ультразвука внутри тела
 человека Фото: © The National Nanotechnology Infrastructure Network

Несколько опытов подтвердили жизнеспособность новой разработки. В первом эксперименте ученые распечатали на сердце козла заплатку, которая выдержала сымитированные удары сердечного ритма. Она бы помогла человеку, страдающему от аритмии. Когда возникает неклапанная фибрилляция предсердий, сердце не может биться правильно, из-за чего кровь скапливается в органе. Традиционное лечение часто требует полостной операции, чтобы закрыть ушко левого предсердия и снизить риск образования тромбов и сердечного приступа.

Ученые продемонстрировали, как в будущем можно будет обойтись без хирургического вмешательства. Сначала с помощью катетера они ввели «умные чернила» в ушко левого предсердия козлиного сердца, помещенного в специальную камеру. Затем с помощью датчика направили туда ультразвуковые волны, которые проходили сквозь 12 мм ткани органа, и вещество затвердевало.

В другом опыте к кости в куриной голени удалось прирастить искусственную костную структуру сквозь 10-миллиметровый слой из кожи и мышц. При этом окружающие ткани не пострадали.

Кроме того, технология показала, что с ее помощью можно не только наращивать нужные фрагменты, но и напрямую доставлять лекарства к необходимому месту. Достичь этого опытным путем получилось за счет того, что к «чернилам» добавили специальный препарат, применяемый в химиотерапии. Полученную смесь внедрили в ткани печени, где под воздействием ультразвука затвердевшие гидрогели медленно растворили лекарство.

Исследователи предполагают, что технологию в будущем можно будет успешно применять в качестве альтернативы инвазивному лечению. Правда, сначала нужно провести клинические испытания, на которые могут уйти годы.