3D-печать используется для создания биологических тканей, органов и медицинских устройств. Обычно принтеры печатают послойно, что занимает много времени. Новый метод — объемная печать, где 3D-структуры затвердевают под действием одного светового импульса, ускоряет процесс, но зависит от глубины проникновения света. Так, инфракрасный свет работает на глубине до 1 мм, а далее рассеивается.

Ультразвук, в свою очередь, проникает глубоко в органы (до 20 см) и не повреждает их, а также может инициировать химические реакции. В 2023 году ученые разработали «соно-чернила», которые затвердевают под воздействием звуковых волн. Этот метод позволил напечатать 3D-объекты внутри свиной грудинки, печени и почек, а также восстановить поврежденное сердце козы. Однако чернила чувствительны к стрессу и нарушениям в организме, что замедляет печать и снижает четкость объектов. Кроме того, звуковые волны вызывают нагрев, из-за чего часть чернил затвердевает раньше времени. В результате повышается риск отторжения структур организмом.

Новая технология использует усовершенствованные «соно-чернила», которые состоят из нескольких компонентов.

Во-первых, это цепочки молекул, которые обычно свободно перемещаются, но соединяются, получая определенный молекулярный «сигнал». Во-вторых, это жировые пузырьки, наполненные связующими молекулами (тем самым «сигналом»), которые высвобождают свое содержимое под действием ультразвука. И наконец, в состав входит вещество с заключенными внутри химическими элементами, которые рассеивают звуковые волны и светятся при определенном ультразвуковом воздействии. Это позволяет ученым видеть, где находятся чернила и сформировалась ли нужная структура.

Чернила вводят непосредственно в нужную область или доставляют туда через катетеры. Так, ученые напечатали на мышах с раком мочевого пузыря своего рода резервуар, который постепенно высвобождал лекарства против рака и замедлял рост опухоли. Обычно такие препараты быстро выводятся из организма. Но биочернильный «пластырь» позволил лекарству дольше воздействовать на пораженный участок. В другом эксперименте исследователи создали искусственную ткань на глубине нескольких сантиметров под кожей в мышцах лап и брюшной полости кроликов. Это показало, что технология способна создавать новые тканевые структуры у более крупных животных.

Система работает со скоростью 40 миллиметров в секунду, что сравнимо с обычным струйным принтером. Биочернила можно модифицировать — добавлять углеродные нанотрубки, нанопроволоки и другие безопасные для организма материалы.

Например, ученые добавили проводящие наночастицы и напечатали электронные датчики, измеряющие активность живых тканей. Чернила хранятся не менее 450 дней и не вызывают реакции иммунной системы. Излишки выводятся из организма естественным путем в процессе обмена веществ или могут быть растворены с помощью препарата, который обычно используют при отравлении тяжелыми металлами.

Однако есть сложности — целевые ткани различаются по глубине, форме и размеру, что влияет на отражение ультразвука и затвердевание биочернил. Еще сложнее печать на подвижных органах — легких, сердце, желудке. Здесь может помочь искусственный интеллект, который будет анализировать связи между звуковыми волнами, температурой, материалами и процессами в организме для лучшего контроля печати. Система управления на основе ИИ, отслеживающая процесс в реальном времени, могла бы быстро адаптироваться к изменениям в организме, и тогда биочернила затвердевали бы как нужно.