由于新的软机器人 人体内的3D生物打印成为可能

来自新南威尔士大学悉尼分校的工程师开发了一种微型灵活的软机械臂，可用于将生物材料直接3D打印到人体内的器官上。

3D生物打印是一种由所谓的生物墨水制造生物医学部件以构建天然组织样结构的过程。

生物打印主要用于组织工程和新药开发等研究目的，通常需要使用大型3D打印机在生物体外产生细胞结构。

新南威尔士大学医学机器人实验室的新研究由Thanh Nho Do博士和他的博士生Mai Thanh Thai领导，与新南威尔士大学的其他研究人员合作，包括Scientia教授Nigel Lovell，Hoang-Phuong Phan博士和Jelena Rnjak-Kovacina副教授，在Advanced Science上发表的一篇论文中有详细说明。

他们的工作产生了一种微型灵活的3D生物打印机，能够像内窥镜一样插入体内，并将多层生物材料直接输送到内部器官和组织的表面上。

这种名为F3DB的概念验证设备具有高度机动的旋转头，可以“打印”生物墨水，连接到长而灵活的蛇状机械臂的末端，所有这些都可以在外部控制。

研究小组表示，随着进一步发展，可能在五到七年内，医疗专业人员可以使用该技术通过小皮肤切口或自然孔口进入体内难以到达的区域。

Do博士和他的团队已经在人造结肠内测试了他们的设备，并在猪肾表面3D打印了各种不同形状的材料。

“现有的3D生物打印技术需要在体外制造生物材料，将其植入人体通常需要大型开放手术，这会增加感染风险，”新南威尔士大学生物医学工程研究生院(GSBmE)和Tyree基金会健康工程研究所(IHealthE)的Scientia高级讲师Do博士说。

“我们灵活的3D生物打印机意味着生物材料可以通过微创方法直接输送到目标组织或器官中。该系统为精确重建体内的三维伤口提供了潜力，例如胃壁损伤或结肠内的损伤和疾病，“Do博士继续说道。

“由于其灵活的身体，我们的原型能够通过狭窄和难以到达的区域3D打印不同尺寸和形状的多层生物材料。

“我们的方法还解决了现有3D生物打印机的重大局限性，例如3D打印生物材料与目标组织/器官之间的表面不匹配以及手动处理，转移和运输过程中的结构损坏，”Do博士指出。

GSBmE负责人兼IHealthE主任Nigel Lovell教授补充说：“目前，没有商业上可用的设备可以在远离皮肤表面的内部组织/器官上进行原位3D生物打印。已经提出了其他一些概念验证设备，但它们在体内复杂和狭窄的空间中使用时更加僵硬和棘手。

新南威尔士大学团队生产的最小的F3DB原型具有与商业治疗性内窥镜相似的直径(约11-13毫米)，其小到足以插入人体胃肠道。

但研究人员表示，它可以很容易地扩大到更小，以用于未来的医疗用途。

软机器人

该设备具有一个三轴打印头，直接安装在软机械臂的尖端。这种打印头由柔软的人造肌肉组成，允许它在三个方向上移动，其工作原理与传统的桌面3D打印机非常相似。

柔软的机械臂可以因液压系统而弯曲和扭曲，并且可以以所需的任何长度制造。它的刚度可以使用不同类型的弹性管和织物进行微调。

打印喷嘴可以编程为打印预先确定的形状，或者在需要更复杂或不确定的生物打印的情况下手动操作。此外，该团队还利用了一个基于机器学习的控制器来帮助打印过程。

为了进一步证明该技术的可行性，新南威尔士大学团队在通过他们的系统打印后测试了活生物材料的细胞活力。实验表明，细胞不受该过程的影响，观察到大多数细胞在印刷后是活的。然后细胞在接下来的七天内继续生长，打印一周后观察到的细胞数量是其四倍。

多合一内窥镜手术工具

研究小组还展示了F3DB如何潜在地用作一体化内窥镜手术工具，以执行一系列功能。他们说，这在通过称为内窥镜粘膜下剥离(ESD)的过程切除某些癌症，尤其是结直肠癌的手术中可能特别重要。

在世界范围内，结直肠癌是癌症死亡的第三大常见原因，但早期切除结直肠瘤变可使患者的五年生存率增加至少90%。

F3DB打印头的喷嘴可以作为一种电动手术刀，先标记然后切掉癌变。水也可以通过喷嘴引导，同时清除部位的任何血液和多余的组织，同时通过在机械臂仍在原位时直接直接3D打印生物材料来促进更快的愈合。

在猪的肠道上证明了执行这种多功能程序的能力，研究人员表示，结果表明F3DB是未来开发一体化内窥镜手术工具的有希望的候选者。

“与现有的内窥镜手术工具相比，开发的F3DB被设计为一种多合一的内窥镜工具，避免使用通常与更长的手术时间和感染风险相关的可更换工具，”Mai Thanh Thai说。

该系统已获得临时专利，其下一阶段的开发是对活体动物进行体内测试，以证明其实际用途。研究人员还计划实施其他功能，例如集成摄像头和实时扫描系统，该系统将重建体内移动组织的3D断层扫描。