新的软体机器人使人体内部的 3D 生物打印成为可能

悉尼新南威尔士大学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。

悉尼新南威尔士大学开发的微型柔性 3D 生物打印机能够在猪肾表面 3D 打印各种不同形状的材料。3D 生物打印是一种利用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。

生物打印主要用于研究目的，例如组织工程和新药的开发——通常需要使用大型 3D 打印机来在活体外产生细胞结构。

他们的工作产生了一种微型灵活的 3D 生物打印机，它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。

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形机械臂的末端，所有这些都可以从外部控制。

研究小组表示，随着进一步的发展，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道进入体内难以触及的区域。

Do 博士和他的团队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进行大型开放式手术，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的 Scientia 高级讲师 Do 博士说。 (GSBmE) 和 Tyree Foundation Institute of Health Engineering (IHealthE)。

“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。该系统提供了精确重建体内三维伤口的潜力，例如胃壁损伤或损伤和疾病在结肠内，”Do 博士继续说道。

“由于其灵活的机身，我们的原型能够通过狭窄且难以触及的区域 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，以及人工处理、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 Scientia 教授 Nigel Lovell 补充说：“目前，还没有可以在远离皮肤表面的内部组织/器官上进行原位 3D 生物打印的商用设备。其他一些证明-已经提出了概念设备，但它们在复杂和狭窄的体内空间中使用起来更加僵化和棘手。”

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内窥镜相似的直径（约 11-13 毫米），小到可以插入人体胃肠道。

但研究人员表示，为了未来的医疗用途，它可以很容易地缩小甚至更小。

软体机器人

该设备具有直接安装在软机械臂尖端的三轴打印头。这个打印头由柔软的人造肌肉组成，可以在三个方向上移动，其工作原理与传统的桌面 3D 打印机非常相似。

由于液压系统，软机械臂可以弯曲和扭曲，并且可以根据需要制造成任何长度。它的刚度可以使用不同类型的弹性管和织物进行微调。

可以对打印喷嘴进行编程以打印预定形状，或者在需要更复杂或不确定的生物打印时手动操作。此外，该团队还使用了一个基于机器学习的控制器来辅助打印过程。

为了进一步证明该技术的可行性，新南威尔士大学团队测试了活体生物材料在通过他们的系统打印后的细胞活力。实验表明细胞不受该过程的影响，大多数细胞在打印后被观察到是活的。然后这些细胞在接下来的 7 天里继续生长，打印一周后观察到的细胞数量是原来的四倍。

一体式内窥镜手术工具

研究团队还展示了 F3DB 如何潜在地用作一体式内窥镜手术工具来执行一系列功能。他们说，这在通过称为内窥镜黏膜下剥离术 (ESD) 的过程切除某些癌症，尤其是结直肠癌的手术中可能尤为重要。

在世界范围内，结直肠癌是癌症死亡的第三大常见原因，但及早切除结直肠肿瘤可使患者的五年生存率提高至少 90%。

F3DB打印头的喷嘴可作为一种电动手术刀使用，先标记然后切除癌性病灶。水也可以通过喷嘴同时清洁该部位的任何血液和多余组织，同时在机械臂仍在原位的情况下，直接直接 3D 打印生物材料可以促进更快的愈合。

在猪的肠道上展示了执行这种多功能程序的能力，研究人员表示，结果表明 F3DB 是未来开发一体式内窥镜手术工具的有前途的候选者。

“与现有的内窥镜手术工具相比，开发的 F3DB 被设计为一种一体式内窥镜工具，避免使用通常与更长的手术时间和感染风险相关的可变工具，”Mai Thanh Thai 说。

该系统已获得临时专利，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，以重建体内移动组织的 3D 断层扫描。