Bioprinting na Gamit ang Ultrasound: Isang Bagong Hangganan sa Medisinang Tumpak

Ang sistemang pangkalusugan at medikal ay napakalayo na ang narating sa nakaraang siglo. Noong unang panahon, ang mga tao ay umaasa sa mga halamang gamot. Ngunit siyempre, kulang ito sa pagkakapare-pareho at espesipisidad sa paghahatid ng gamot.

Pagkatapos, naging popular ang mga tableta at kapsula para sa pag-iimbak ng mga gamot. Natutunaw ang mga ito kapag nakasalubong ang mga ito sa mga likido ng gastrointestinal, tumatagos sa pader ng bituka, at pagkatapos ay nasisipsip sa daloy ng dugo sa pamamagitan ng mga capillary ng dugo nang walang kontrol sa paglabas ng gamot.

Ang paggamit ng coating sa mga gamot upang itago ang mapait na lasa nito ay higit pang nagbago sa bilis ng paglabas ng gamot. Sa paglipas ng panahon, ang mga materyales ng coating ay nag-evolve mula sa ginto at pilak patungo sa perlas, asukal, at enteric coatings.

Ang enteric coating ay isang panlabas na polymer coating sa oral na gamot. Ang hadlang na ito ay pumipigil sa gamot na matunaw sa gastric na kapaligiran ng ating tiyan, kaya nagbibigay-daan sa kontroladong paglabas. Ang karagdagang pag-unlad sa mga coating na ito sa paglipas ng mga taon ay nagpagaling pa ng paghahatid ng gamot.

Ang unang nanoparticle therapeutic sa anyo ng polymer-drug conjugate ay iniulat noong 1950s, habang ang unang nanotechnology, na kilala bilang liposome, ay natuklasan lamang noong 1960s. Pareho itong nagmarka ng pinagmulan ng mga nanocarrier.

Sa paglipas ng panahon, ang mga matatalinong polymer at hydrogels ay binuo upang patatagin ang mga sistema ng paghahatid ng gamot, habang nagsusumikap na bumuo ng mga target na nanotechnology drug delivery system.

Sa mga nagdaang taon, malaki ang progreso patungo sa matagumpay na pagbuo ng mga localized drug delivery device na nagbibigay-daan sa tumpak na kontrol sa paglabas ng gamot. Ang mga teknik tulad ng micelles, hydrogels, liposomes, at nanoparticles ay nag-aalok ng patuloy na paglabas ng mga therapeutic agent sa tiyak na lokasyon.

Pinapabuti ng mga pamamaraang ito ang bisa ng paggamot habang binabawasan ang toxicity sa tisyu sa pamamagitan ng pag-iwas sa sistemikong sirkulasyon ng mga therapeutic agent.

Ang mga implantable drug delivery device, partikular, ay epektibong naghahatid ng gamot sa mga localized na rehiyon. Ang mga device na ito ay gawa sa biocompatible at biodegradable na mga sangkap at maaaring idisenyo upang maglabas ng gamot sa iba’t ibang dosis at para sa patuloy o paminsan-minsang paghahatid.

Isang tiyak na pokus ay sa mga noninvasive deep-tissue implant, na kilala rin bilang smart implant o minimally invasive implant. Ang mga device na ito, na dinisenyo upang subaybayan ang mga function ng katawan, maghatid ng gamot, o kahit tumulong sa tissue regeneration, ay inilalagay sa katawan nang walang malawak na operasyon.

Ngayon, isang koponan ng mga siyentipiko mula sa Caltech ang nakagawa ng makabuluhang progreso patungo sa panghuling layunin na bigyan ang mga doktor ng kakayahang eksaktong i-print ang maliliit na kapsula na maaaring maghatid ng mga selulang kinakailangan para sa pag-aayos ng tisyu sa eksaktong lokasyon, tulad ng sa loob ng tumitibok na puso.

Para dito, kanilang binuo ang deep tissue in vivo sound printing (DISP) platform. Ang bagong imaging-guided in vivo 3D-printing technique¹ ay nailathala sa journal na Science.

DISP: Imaging-Guided Sound Printing para sa Deep-Tissue Therapeutics

Ang three-dimensional (3D) printing o additive manufacturing ay nakakuha ng malaking atensyon dahil sa kakayahang mag-iba-iba, lumikha ng komplikadong disenyo, at mga opsyon sa pag-customize.

Sa prosesong ito ng paggawa, ang mga 3D na bagay ay nililikha mula sa isang digital na file sa pamamagitan ng paglalagay ng mga patong ng materyal. Pinapayagan nito ang mabilis na prototyping, pagbawas ng gastos sa paggawa, at mga produktong personalized, na nagdala ng malawak na pagtanggap, partikular sa mga larangan tulad ng pagmamanupaktura, pangangalagang pangkalusugan, at kahit fashion.

Sa pangangalagang pangkalusugan, rebolusyonaryo ang 3D printing sa paggawa ng medikal na implant. Naging napakahalagang kasangkapan ito para sa pagbuo ng mga patient-specific na implant, kapwa sa labas at direkta sa loob ng katawan.

Gayunpaman, ang pangakong ito ng mga customized na implant ay humaharap sa mga limitasyon ng pangangailangan ng invasive surgical procedures. Ang mga implant para sa loob ng katawan ay higit pang limitado ng pangangailangan ng mga precursor material at isang polymerization method na ligtas gamitin sa katawan ng tao na maaaring i-activate nang may katumpakan mula sa labas ng katawan.

Upang matugunan ang mga problemang ito, ang mga siyentipiko ay lumilingon sa ultrasound printing.

Halimbawa, sa isang pag-aaral² noong nakaraang taon, mga mananaliksik mula sa Technion Faculty of Biomedical Engineering ang nagpakita ng isang noninvasive na teknik para sa bioprinting ng mga tisyu at selula nang malalim sa loob ng katawan sa pamamagitan ng external sound wave irradiation na inilalabas mula sa isang external ultrasonic transducer.

Ngayon, ang koponan ng mga siyentipiko mula sa California Institute of Technology ay nagbuo ng isang platform na gumagamit ng imaging-guided ultrasound printing, na kayang pumunta nang mas malalim kaysa sa ibang mga pamamaraan.

Sa halip na tradisyunal na 3D printing na may mga nozzle, sa pag-aaral na ito, may mga nakatutok na sinag ng tunog na lumilikha ng kontroladong pagtaas ng temperatura upang pasimulan ang isang proseso na kahalintulad ng pag-print.

Pinondohan ng National Institutes of Health, American Cancer Society, Heritage Medical Research Institute, at Challenge Initiative sa UCLA, pinagsasama ng pag-aaral ang ultrasound sa low-temperature liposomes (LTSLs) na may kasamang mga crosslinking agent.

Ang liposome o lipid vesicle ay isang maliit na saradong estruktura na matatagpuan sa mga buhay na selula na naglalaman ng mga lipid, na isang grupo ng mga compound tulad ng taba, wax, monoglycerides, at diglycerides na gumaganap ng iba’t ibang tungkulin sa ating katawan, kabilang ang pag-iimbak ng enerhiya, signaling, pagsipsip ng bitamina, paggawa ng hormones, at pagiging bahagi ng estruktura ng cell membranes.

Ang mga vesicle na ito ay ginagamit sa iba’t ibang aplikasyon, kabilang ang drug targeting, drug delivery, at in vitro na pag-aaral ng dynamics ng cell membrane.

Ang mga liposome sa pag-aaral ay inilubog sa isang polymer solution na naglalaman ng mga monomer ng nais na polymer at ng kargamento na ihahatid, tulad ng isang therapeutic drug.

Ang polymer ay isang imaging contrast agent na nagbubunyag kapag naganap ang crosslinking. Sa pag-aaral, ginagamit ang gas vesicles para sa layuning ito. Sa pamamagitan ng real-time monitoring, ang gas vesicle (GVs)-based ultrasound imaging ay nagbibigay-daan sa paglikha ng customized na pattern sa mga buhay na hayop.

Ang GVs ay mga protein nanostructure na puno ng hangin na nagsisilbing imaging at therapeutic agents para sa ultrasound, magnetic resonance, at optical techniques. Sila ay patuloy na ginagamit bilang contrast agents sa ultrasound imaging dahil sa kanilang natatanging katangian na makabuo ng nonlinear contrast sa ilalim ng ultrasound. Maaaring i-genetically encode at i-engineer ang GVs, kaya’t nagiging versatile na imaging agents.

Ang pagsasama ng LTSLs na may kasamang mga crosslinking agent sa bio ink ay nagbibigay-daan sa bagong platform na mag-alok ng mabilis at tumpak na cross-linking ng iba’t ibang functional biomaterials on demand gamit ang nakatutok na ultrasound.

Pinatunayan ng koponan ang kanilang platform sa pamamagitan ng matagumpay na pag-print malapit sa mga kanserous na lugar sa pantog ng daga at malalim sa mga kalamnan ng paa ng kuneho in vivo.

Gamit ang DISP platform upang mag-print ng mga polymer na may kasamang chemotherapeutic drug (doxorubicin) malapit sa tumor ng pantog sa mga daga, nagawa ng koponan na makamit ang mas maraming pagpatay ng selula ng tumor sa loob ng ilang araw kumpara sa mga tumanggap ng gamot sa pamamagitan ng direktang pag-iniksyon ng solusyon ng gamot.

Kaligtasan, Katumpakan, at Biocompatibility: Potensyal Klinikal ng DISP

Ang koponan ng Caltech ay nakabuo ng isang teknik para sa 3D printing ng mga polymer sa tiyak na lokasyon nang malalim sa loob ng mga buhay na hayop. Si Elham Davoodi, isang assistant professor ng mechanical engineering sa University of Utah, ang pangunahing may-akda ng pag-aaral, na natapos ito habang siya ay postdoctoral scholar sa Caltech.

Gumagamit ang metodong ito ng tunog para sa lokalisasyon. Sa kasalukuyan, ito ay nagamit na upang mag-print ng mga polymer na parang pandikit upang selyuhan ang mga internal na sugat at mga polymer capsule para sa selektibong paghahatid ng gamot.

Dati, gumamit ang mga siyentipiko ng infrared light upang i-activate ang polymerization, ang proseso kung saan ang maliliit na yunit na tinatawag na monomer ay pinagdugtong-dugtong upang bumuo ng mas malalaking molekula na tinatawag na polymer, sa loob ng mga buhay na hayop.

Gayunpaman, ang infrared ay may napakakaunting penetration. “Umaabot lamang ito sa ilalim ng balat,” ayon kay Wei Gao, propesor ng medical engineering sa Caltech at isang Investigator ng Heritage Medical Research Institute.

Sa kabaligtaran, ang bagong teknik ay maaaring maabot ang malalim na tisyu at maaari ring mag-print ng iba’t ibang materyales para sa malawak na hanay ng aplikasyon habang “pinananatili ang mahusay na biocompatibility.”

Upang maisakatuparan ang deep tissue in vivo printing, lumapit ang koponan sa ultrasound, isang platform na malawakang ginagamit sa biomedicine para sa layuning ito.

Ngunit kailangan nila ng paraan upang i-activate ang pag-bond ng mga monomer, o crosslinking, sa isang tiyak na lokasyon at lamang kapag nais.

Kaya, nagpakilala ang koponan ng isang bagong paraan, pagsasama ng ultrasound sa (LTSLs) na may kasamang mga cross-linking agent at pagkatapos ay inilubog sa isang polymer solution na naglalaman ng polymer monomers at ng kargamento. Maaaring isama dito ang iba pang mga sangkap, tulad ng mga selula at conductive materials tulad ng silver o carbon nanotubes. Ang resulting bioink ay pagkatapos ay in-inject direkta sa katawan.

Ngayon, upang simulan ang pag-print, gumamit ang mga siyentipiko ng nakatutok na ultrasound, na nagtaas ng temperatura sa target na lugar ng ilang (tungkol 5) degrees. Ito ay nagdulot sa mga liposome na ilabas ang kanilang nilalaman, kaya maaaring magsimula ang polymer printing sa isang tumpak na lokasyon. Ayon kay Gao:

“Ang pagtaas ng temperatura ng ilang degree Celsius ay sapat na para sa particle ng liposome na ilabas ang aming mga crosslinking agent. Kung saan inilalabas ang mga agent, doon magaganap ang localized polymerization o printing.”

Ang gas vesicles, na nagmula sa bakterya at ginagamit dito bilang imaging contrast agent, ay nagsasabi sa atin na lahat ay gumagana ayon sa plano sa pamamagitan ng malakas na pagpapakita sa ultrasound imaging. Sensitibo sila sa mga kemikal na pagbabago na nagaganap kapag ang likidong solusyon ng monomer ay nag-crosslink upang lumikha ng gel network.

Kapag naganap ang transformasyon, nagbabago ang contrast ng vesicles, na natutukoy sa pamamagitan ng ultrasound imaging. Pinapayagan nito ang mga siyentipiko na madaling matukoy kung kailan at eksaktong saan naganap ang polymerization crosslinking, na nagbibigay-daan sa kanila na baguhin ang mga pattern na ini-print sa mga buhay na hayop.

Bukod sa mga bioadhesive gel at polymer, tinatalakay din ng pag-aaral ang paggamit ng teknik para sa pag-print ng bioelectric hydrogels, mga polymer na may nakapaloob na conductive materials na ginagamit para sa internal monitoring ng physiological vital signs.

Ngayon, ang beripikasyon ng DISP platform sa pamamagitan ng matagumpay na eksperimento sa mga daga at kuneho nang walang anumang senyales ng pamamaga o pinsala sa tisyu ay nagpapakita ng potensyal ng platform para sa localized drug delivery, tissue replacement, at bioelectronics. Sa katawan na naglilinis ng hindi polymerized na tinta sa loob ng isang linggo, higit pang pinapakita nito ang safety profile ng platform.

Bukod pa rito, ang kakayahan nitong mag-print ng cell-laden, drug-loaded, bioadhesive, at conductive materials ay nagpapakita ng pagiging versatile nito para sa iba’t ibang medikal na aplikasyon. Ngunit siyempre, para maisalin ito sa klinikal na paggamit, kailangan pa ng karagdagang pag-refine ang platform.

“Ito ay isang bagong direksyon ng pananaliksik sa larangan ng bioprinting. Ang susunod naming yugto ay subukan mag-print sa mas malaking animal model, at sana, sa malapit na hinaharap, ma-evaluate namin ito sa mga tao.”

– Gao

Layunin ng koponan na pahusayin ang kakayahan ng DISP platform na maglokalisa nang eksakto at mag-apply ng nakatutok na ultrasound sa pamamagitan ng machine learning.

“Sa hinaharap, sa tulong ng AI, nais naming magawa ang awtomatikong pag-trigger ng high-precision printing sa loob ng gumagalaw na organ tulad ng tumitibok na puso.”

– Gao

Pamumuhunan sa 3D Bio-Printing

Isang maagang manlalaro sa industriya ng 3D printing, 3D Systems (DDD ) ay isa sa mga nangungunang pangalan na dapat bantayan habang umuunlad ang espasyo na ito. Ang kumpanya ay nagbibigay ng komprehensibong solusyon sa 3D printing at digital manufacturing, kabilang ang mga 3D printer para sa metal, materyales, at plastik, software, at mga serbisyo. Mula sa mga dental lab at automotive manufacturer hanggang sa mga semiconductor designer at gumagawa ng medikal na device, nagdidisenyo ito ng software at nagde-develop ng mga printer para sa lahat ng uri ng industriya at materyales.

3D Systems (DDD )

Ang 3S Systems ay nagpapatakbo sa pamamagitan ng dalawang segment: Healthcare Solutions, na nagsisilbi sa dental, regenerative medicine, medical devices, at personalized health services, at Industrial Solutions, na nagsisilbi sa transportation, aerospace, defense, at pangkalahatang manufacturing. 

Noong 2021, nakuha nito ang Allevi upang palawakin ang inisyatiba nito sa regenerative medicine sa pamamagitan ng pagpapabilis ng paglago sa mga pharmaceutical research laboratory. Ayon sa website ng kumpanya, ang 3D bioprinting ay nagpaunlad ng pag-develop ng animal-free preclinical models at 3D disease modeling sa pamamagitan ng iterative bioprint designs at kakayahang i-recapitulate ang in vivo human biology.

Sa parehong taon, nakuha rin nito ang Additive Works GmbH, isang German software firm, upang palawakin ang kakayahan nitong mag-simulate para sa mabilis na optimization ng industrial-scale 3D printing processes.

Ang mga shares ng kumpanya ay kasalukuyang nagte-trade sa $1.94, pababa ng 22.26% YTD. Sa antas ng presyong ito, ang mga shares ng 3D Systems ay nakaranas ng malaking pagbaba mula sa kanilang peak na halos $48.60, na naabot noong unang bahagi ng 2021, tulad ng maraming ibang stocks sa merkado.

Ang 3D Systems ay nakamit ang market cap na $345.6 milyon, at ang EPS (TTM) ay -1.93, at ang P/E (TTM) ay -1.32.

Tungkol sa financials ng kumpanya, ipinapakita na sa unang quarter ng 2025, ang 3D Systems ay nagrekord ng revenue na $94.5 milyon, na 8% pagbaba mula sa parehong quarter noong nakaraang taon dahil sa pagbaba ng sales ng materyales.

Ang revenue ng Healthcare Solutions ay $41.3 milyon, habang $53.2 milyon ay nagmula sa Industrial Solutions.

Ito, ayon kay CEO Dr. Jeffrey Graves, ay sumasalamin sa “pagpapatuloy ng hamon sa top-line pressures habang maraming customer ang nagpapaliban ng kanilang capital investments” upang magkaroon ng mas malinaw na pag-unawa sa posibleng epekto ng taripa bukod pa sa patuloy na geopolitical at mas malawak na macroeconomic uncertainty.

Ang gross profit margin para sa period ay 34.6%, at ang non-GAAP gross profit margin ay 35% dahil sa mas mababang volume at hindi kanais-nais na presyo. Ang net loss, samantala, ay $37 milyon. Sa katapusan ng Marso 2025, ang cash at cash equivalents nito ay $135 milyon, at ang kabuuang utang, net ng deferred financing costs, ay $212.3 milyon.

Gayunpaman, ang kumpanya ay nagtatrabaho sa isang $50 milyong cost savings initiative, na matatapos sa kalagitnaan ng 2026. Inaasahan din na makakamit nito ang breakeven sa EBITDA basis sa huling quarter ng taong ito.

Higit pa rito, ang balance sheet nito ay napalakas bilang resulta ng pagbebenta ng Geomagic portfolio, na nagbigay ng higit sa $100 milyong post-tax increase sa cash reserves hanggang $250 milyon noong Abril 30, 2025.

Ang mga positibong aspeto ng 3D Systems bilang isang investment option ay ang patuloy na paglago nito sa Aerospace at Defense markets, at ang pinakabagong hardware systems nito ay nagrekord ng paglago sa sales. Gayundin, ang AI infrastructure ay isa pang larangan na pinagtutuunan ng 3D Systems upang itulak ang progreso nito.

“Ang aming sinadyang pagpapanatili ng mga R&D investments sa nakaraang ilang taon ay nagbunga ng isang makabuluhang alon ng bagong teknolohiya na ipinakilala sa kabuuan ng aming product portfolio, kabilang ang parehong polymer at metal platforms.”

– Gravel

Binanggit niya na habang negatibo itong nakakaapekto sa profitability sa maikling panahon, ang malakas na interes ng customer ay nangangahulugang “ang aming mga bagong system ay lalong pinipili para sa high-quality/high-reliability component manufacturing, para sa mga aplikasyon sa loob ng katawan ng tao, at sa advanced industrial systems.” Maraming bagong produkto ngayon ay pumapasok na sa kritikal na yugto ng commercialization.

Sa taong ito, hanggang ngayon, nakipagtulungan ang 3D Systems sa nangungunang commercial vehicle manufacturers na Daimler Truck (DTG.DE ) upang mapadali ang remote spare part printing. Ang on-demand printing ay upang malampasan ang mga bottleneck sa supply chain at mabawasan ang oras ng paghahatid ng 75%.

Ang klinikal na napatunayang NextDent 3D printing resins ay iniulat na ngayon ay sumasaklaw sa higit sa 30 aplikasyon, kabilang ang mga nakatuon sa pag-aayos ng ngipin. Inanunsyo rin ng kumpanya ang unang 3D-printed PEEK facial implant sa kanilang point-of-care additive manufacturing solution sa pakikipagtulungan sa University Hospital Basel.

Sa isang kamakailang event, inilunsad din ng 3D Systems ang maraming bagong produkto, tulad ng QuickCast® Diamond™ at PSLA 270, at isang bagong module para sa large-format EXT Titan Pellet Extrusion printers. Nagpakilala rin ito ng high-throughput, precision Figure 4® 135 3D printer at Figure 4 Tough 75C FR Black material upang bawasan ang gastos ng high-mix, low-volume manufacturing.

Pinakabagong Balita sa 3D Systems

Konklusyon

Ang sistemang pangkalusugan ay nagdaan sa isang malaking transformasyon sa nakaraang ilang dekada. Ang paglalakbay na ito mula sa mga herbal na concoctions hanggang sa sopistikadong nanomedicine ay nagpapakita na ang pag-unlad ng drug delivery ay minarkahan ng teknolohikal na inobasyon.

Ngayon, ang pinakabagong pag-unlad ng mga siyentipiko sa Caltech ay isang kahanga-hangang hakbang pasulong sa mundo ng medikal na rebolusyon. Sa pamamagitan ng paggamit ng parehong mga sound wave na kasalukuyang ginagamit upang tingnan sa loob ng katawan para sa imaging purposes, ang DISP platform ay kayang tumagos nang mas malalim sa mga tisyu. Ang isang bespoke blend ng solusyon (bioink) at focused ultrasound (FUS) transducer, sa kabilang banda, ay nagbibigay-daan sa tumpak na pag-print.

Habang ang teknolohiya ay umuusad patungo sa mas malalaking animal model at human trials, ang DISP, kasama ang kanyang biocompatibility, precision, at adaptability, ay may pangakong muling tukuyin ang drug delivery at internal healing.

I-click dito para sa listahan ng mga nangungunang 3d bioprinting stocks.

Mga Sangguniang Pag-aaral:

1. Davoodi, E., Li, J., Ma, X., Najafabadi, A. H., Yoo, J., Lu, G., Sani, E. S., Lee, S., Montazerian, H., Kim, G., Williams, J., Yang, J. W., Zeng, Y., Li, L. S., Jin, Z., Sadri, B., Nia, S. S., Wang, L. V., Hsiai, T. K., Weiss, P. S., Zhou, Q., Khademhosseini, A., Wu, D., Shapiro, M. G., & Gao, W. (2025). Imaging-guided deep tissue in vivo sound printing. Science, 388(6747), 616–623. https://doi.org/10.1126/science.adt0293

2. Debbi, L., Machour, M., Dahis, D., Shoyhet, H., Shuhmaher, M., Potter, R., Tabory, Y., Goldfracht, I., Dennis, I., Blechman, T., Fuchs, T., Azhari, H., & Levenberg, S. (2024). Ultrasound mediated polymerization for cell delivery, drug delivery, and 3D printing. Small Methods, 8(6), 2301197. https://doi.org/10.1002/smtd.202301197