Geweberisse direkt im Körper schließen – derartige Anwendungen könnte womöglich ein auf Ultraschall basierendes neues 3D-Druckverfahren ermöglichen. Es ähnelt Verfahren, bei denen fokussiertes Licht, etwa von Lasern, einen Stoff oder ein Gemisch aushärtet, wie das Forschungsteam in der Fachzeitschrift Science berichtet.
Ultraschall kann tiefer als Licht in Gewebe eindringen
Der Vorteil von Ultraschall ist demnach, dass er tiefer als Licht in Gegenstände und biologisches Gewebe eindringen kann. Deshalb könnte die Technik künftig vielleicht in der Medizin eingesetzt werden, um beispielsweise krankhafte Lücken in Geweben zu schließen, so die Gruppe um Xiao Kuang von der Harvard Medical School in Cambridge (USA). Die Forscher nennen ihr Verfahren „Deep-Penetrating Acoustic Volumetric Printing“ (DAVP, Tiefenwirksamer Akustischer Volumendruck).
Um die Technik anwenden zu können, mussten sie ein geeignetes Stoffgemisch entwickeln. Es besteht aus einem Vinylpolymer als Basiskomponente und bestimmten Mikropartikeln für die Beeinflussung der Fließeigenschaften. Ein besonderes Acrylamid ist für die schnelle Erwärmung durch Ultraschallwellen wichtig und Ammoniumpersulfat setzt den Gel-Bildungsprozess durch Wärme in Gang. Wenn Ultraschallwellen auf eine Stelle dieses „Sono-Ink“ genannten Stoffgemischs fokussiert werden, härtet diese zu einem biokompatiblen Kunststoff aus, wie es in der Studie heißt. Die Polymerisation, also die Aushärtung, passiere sehr rasch. Zudem müsse das gedruckte Material nicht durchsichtig sein wie bei Licht als Härtungsmittel, und es könne im Inneren eines Gegenstands gedruckt werden.
Das Verfahren könnte den Weg zu einer minimalinvasiven Medizin ebnen
„DAVP ermöglicht auch das zentimetertiefe Drucken durch biologische Gewebe hindurch und ebnet so den Weg zu einer minimalinvasiven Medizin“, schreiben die Studienautoren. Sie untersuchten das Verfahren in zahlreichen Tests, etwa mit verschiedenen Ultraschall-Frequenzen. Der fokussierte Ultraschall hatte bei einer Frequenz von 2,05 Megahertz mit 5,58 Millimetern eine größere Tiefenschärfe als bei 6,86 Megahertz. Dafür nahm die Sono-Ink bei 6,86 Megahertz zehnmal so viel akustische Energie auf wie bei 2,05 Megahertz, was zu einer viel höheren Heizeffizienz führte. Die Eindringtiefe betrug bei 2,05 Megahertz 295,2 Millimeter, bei 6,86 Megahertz nur 28,2 Millimeter. Die verschiedenen Frequenzen könnten also für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt werden.
Als Mediziner wollten die Forscher wissen, ob ihr Verfahren potenziell auch in der Medizin angewendet werden könnte. Sie machten mehrere Versuche an biologischem Gewebe – nicht an lebenden Tieren. Bei einem Ziegenherz versiegelten sie ein Loch am sogenannten Herzohr. An einem Hühnerbein zeigten sie, dass eine Lücke im Knochen unter einer zehn Millimeter dicken Schicht aus Haut und Muskeln mit dem DAVP-Verfahren verschlossen werden konnte. Zudem druckten sie ein blutgefäßähnliches Netzwerk.
Auch das Wuchern von Krebszellen könnte gezielter verhindert werden
Sono-Ink könne womöglich auch einem Krebsmedikament beigemischt und an einer Körperstelle platziert werden, an der ein Tumor entfernt wurde; so könnte vielleicht ein erneutes Wuchern verbliebener Krebszellen gezielter verhindert werden. In einem Kommentar in Science zur Studie sehen Yuxing Yao und Mikhail Shapiro vom California Institute of Technology in Pasadena (Kalifornien) vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für das Verfahren. Sie mahnen zwar sorgfältige weitere Tests an, um mögliche Probleme wie Giftigkeit oder das Verbrennen von Gewebe zu verhindern. Doch sie nennen auch verschiedene Beispiele, wie das Verfahren genutzt werden könnte, wenn es ausgereift ist. „Es ist denkbar, dass die Laufschuhe der Zukunft mit der gleichen akustischen Methode gedruckt werden könnten, die Knochen repariert“, schreiben Yao und Shapiro. (dpa)