來自新南威爾士大學悉尼分校的工程師開發(fā)了一種微型靈活的軟機械臂，可用于將生物材料直接3D打印到人體內的器官上。

3D生物打印是一種由所謂的生物墨水制造生物醫(yī)學部件以構建天然組織樣結構的過程。

生物打印主要用于組織工程和新藥開發(fā)等研究目的，通常需要使用大型3D打印機在生物體外產(chǎn)生細胞結構。

新南威爾士大學醫(yī)學機器人實驗室的新研究由Thanh Nho Do博士和他的博士生Mai Thanh Thai領導，與新南威爾士大學的其他研究人員合作，包括Scientia教授Nigel Lovell，Hoang-Phuong Phan博士和Jelena Rnjak-Kovacina副教授，在Advanced Science上發(fā)表的一篇論文中有詳細說明。

他們的工作產(chǎn)生了一種微型靈活的3D生物打印機，能夠像內窺鏡一樣插入體內，并將多層生物材料直接輸送到內部器官和組織的表面上。

這種名為F3DB的概念驗證設備具有高度機動的旋轉頭，可以“打印”生物墨水，連接到長而靈活的蛇狀機械臂的末端，所有這些都可以在外部控制。

研究小組表示，隨著進一步發(fā)展，可能在五到七年內，醫(yī)療專業(yè)人員可以使用該技術通過小皮膚切口或自然孔口進入體內難以到達的區(qū)域。

Do博士和他的團隊已經(jīng)在人造結腸內測試了他們的設備，并在豬腎表面3D打印了各種不同形狀的材料。

“現(xiàn)有的3D生物打印技術需要在體外制造生物材料，將其植入人體通常需要大型開放手術，這會增加感染風險，”新南威爾士大學生物醫(yī)學工程研究生院(GSBmE)和Tyree基金會健康工程研究所(IHealthE)的Scientia高級講師Do博士說。

“我們靈活的3D生物打印機意味著生物材料可以通過微創(chuàng)方法直接輸送到目標組織或器官中。該系統(tǒng)為精確重建體內的三維傷口提供了潛力，例如胃壁損傷或結腸內的損傷和疾病，“Do博士繼續(xù)說道。

“由于其靈活的身體，我們的原型能夠通過狹窄和難以到達的區(qū)域3D打印不同尺寸和形狀的多層生物材料。

“我們的方法還解決了現(xiàn)有3D生物打印機的重大局限性，例如3D打印生物材料與目標組織/器官之間的表面不匹配以及手動處理，轉移和運輸過程中的結構損壞，”Do博士指出。

GSBmE負責人兼IHealthE主任Nigel Lovell教授補充說：“目前，沒有商業(yè)上可用的設備可以在遠離皮膚表面的內部組織/器官上進行原位3D生物打印。已經(jīng)提出了其他一些概念驗證設備，但它們在體內復雜和狹窄的空間中使用時更加僵硬和棘手。

新南威爾士大學團隊生產(chǎn)的最小的F3DB原型具有與商業(yè)治療性內窺鏡相似的直徑(約11-13毫米)，其小到足以插入人體胃腸道。

但研究人員表示，它可以很容易地擴大到更小，以用于未來的醫(yī)療用途。

軟機器人

該設備具有一個三軸打印頭，直接安裝在軟機械臂的尖端。這種打印頭由柔軟的人造肌肉組成，允許它在三個方向上移動，其工作原理與傳統(tǒng)的桌面3D打印機非常相似。

柔軟的機械臂可以因液壓系統(tǒng)而彎曲和扭曲，并且可以以所需的任何長度制造。它的剛度可以使用不同類型的彈性管和織物進行微調。

打印噴嘴可以編程為打印預先確定的形狀，或者在需要更復雜或不確定的生物打印的情況下手動操作。此外，該團隊還利用了一個基于機器學習的控制器來幫助打印過程。

為了進一步證明該技術的可行性，新南威爾士大學團隊在通過他們的系統(tǒng)打印后測試了活生物材料的細胞活力。實驗表明，細胞不受該過程的影響，觀察到大多數(shù)細胞在印刷后是活的。然后細胞在接下來的七天內繼續(xù)生長，打印一周后觀察到的細胞數(shù)量是其四倍。

多合一內窺鏡手術工具

研究小組還展示了F3DB如何潛在地用作一體化內窺鏡手術工具，以執(zhí)行一系列功能。他們說，這在通過稱為內窺鏡粘膜下剝離(ESD)的過程切除某些癌癥，尤其是結直腸癌的手術中可能特別重要。

在世界范圍內，結直腸癌是癌癥死亡的第三大常見原因，但早期切除結直腸瘤變可使患者的五年生存率增加至少90%。

F3DB打印頭的噴嘴可以作為一種電動手術刀，先標記然后切掉癌變。水也可以通過噴嘴引導，同時清除部位的任何血液和多余的組織，同時通過在機械臂仍在原位時直接直接3D打印生物材料來促進更快的愈合。

在豬的腸道上證明了執(zhí)行這種多功能程序的能力，研究人員表示，結果表明F3DB是未來開發(fā)一體化內窺鏡手術工具的有希望的候選者。

“與現(xiàn)有的內窺鏡手術工具相比，開發(fā)的F3DB被設計為一種多合一的內窺鏡工具，避免使用通常與更長的手術時間和感染風險相關的可更換工具，”Mai Thanh Thai說。

該系統(tǒng)已獲得臨時專利，其下一階段的開發(fā)是對活體動物進行體內測試，以證明其實際用途。研究人員還計劃實施其他功能，例如集成攝像頭和實時掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)將重建體內移動組織的3D斷層掃描。

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