UNSW悉尼研發(fā)的微型柔性3D生物打印機能夠在豬腎表面3D打印各種不同形狀的材料。[圖片由Thanh Do博士提供]
UNSW悉尼大學的研究人員將該設備開發(fā)成一種靈活、柔軟的機器人手臂，用于3D生物打印。這一過程從“bioink”制造生物醫(yī)學部件，以構(gòu)建自然的、類似組織的結(jié)構(gòu)。該過程主要用于研究目的，通常需要使用大型3D打印機在體外制造細胞結(jié)構(gòu)。
然而，Thanh Nho Do博士和博士生Mai Thanh Thai與其他UNSW研究人員合作開發(fā)了一種新的生物打印方法。奈杰爾·洛弗爾教授、黃鳳潘博士和賈云馨·恩賈克-科瓦奇納副教授合作完成了這項研究，發(fā)表在尖端科學.
這個概念驗證設備名為F3DB，可以像內(nèi)窺鏡一樣進入人體。它直接將多層生物材料輸送到內(nèi)部器官和組織的表面。F3DB具有高度可操作的旋轉(zhuǎn)頭，可打印生物鏈接。它附著在一個長而靈活的蛇形機械臂的末端。研究人員表示，這一切都可以從外部控制。
工程師們認為，在五到七年內(nèi)，隨著進一步的發(fā)展，醫(yī)療專業(yè)人員可以利用他們的技術通過皮膚小切口或自然孔口進入體內(nèi)難以到達的區(qū)域。工程師們已經(jīng)在人造結(jié)腸內(nèi)進行了早期測試。他們還在一個豬腎的表面3D打印了各種形狀不同的材料。
3D生物打印的局限性
Do解釋說，這種方法解決了現(xiàn)有3D生物打印機的局限性，如表面不匹配和結(jié)構(gòu)損壞。他說，這為精確的3D傷口重建提供了潛力，包括胃壁損傷或結(jié)腸損傷和疾病。
憑借靈活的身體，該原型可以在受限和難以到達的空間內(nèi)3D打印各種生物材料。
“現(xiàn)有的3D生物打印技術需要在體外制造生物材料，將生物材料植入人體通常需要大型開放式手術，這增加了感染風險?！?/trans>說去吧?！拔覀冹`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。”
他們生產(chǎn)的最小F3DB原型的直徑與商業(yè)治療內(nèi)窺鏡相似，約為11-13毫米。該設備小到足以插入人體胃腸道。研究人員表示，他們可以將它縮小到更小，以備將來使用。
“目前，還沒有商用設備可以在遠離皮膚表面的內(nèi)部組織/器官上進行原位3D生物打印，”Lovell說?！耙呀?jīng)出現(xiàn)了一些其他概念驗證設備，但它們在體內(nèi)復雜和有限的空間中使用時更加僵硬和棘手。”
軟機器人裝置的特征
F3DB設備包括一個三軸打印頭，直接安裝在一個軟機器人臂的頂端。頭部有柔軟的人造肌肉，可以向三個方向運動。根據(jù)工程師的說法，這與傳統(tǒng)的桌面3D打印機非常相似。
柔軟的機械臂使用液壓裝置來彎曲和扭轉(zhuǎn)。工程師可以制造任何長度的它，并用各種彈性管和織物微調(diào)它的硬度。
據(jù)研究人員稱，他們可以對噴嘴進行編程，以打印預定的形狀。需要時，它還可以手動操作更復雜或不確定的生物打印。該團隊引入了一種基于機器學習的控制器來幫助打印過程。
為了證明可行性，UNSW團隊在系統(tǒng)打印出生物材料后測試了其細胞活力。實驗證明對與該過程相關的細胞沒有影響。大多數(shù)細胞在打印后都是活的，并在接下來的七天里繼續(xù)生長。研究人員在打印后一周觀察到四倍多的細胞。
開發(fā)一體化工具
研究人員表示，F(xiàn)3DB可能是一個多功能的一體化內(nèi)窺鏡手術平臺。這些包括切除某些癌癥的手術，如結(jié)腸直腸癌。根據(jù)UNSW團隊的說法，打印頭可以作為一種“電手術刀”來標記和切除癌性病變。
使用者也可以通過噴嘴直接噴水，同時從該部位清除任何血液和多余的組織。在機器人手臂保持不動的情況下，立即3D打印生物材料也可以促進更快的愈合。研究人員表示，他們在豬腸上展示了這些多功能屬性。
Mai Thanh Thai說:“與現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡手術工具相比，開發(fā)的F3DB是一種一體化的內(nèi)窺鏡工具，避免了使用可更換的工具，這些工具通常與較長的手術時間和感染風險有關?！?/trans>
下一步，該團隊計劃在活體動物上進行體內(nèi)測試。他們獲得了該技術的臨時專利，并打算引入更多功能。這些可能包括一個集成的攝像頭和一個實時掃描系統(tǒng)。實時掃描將重建體內(nèi)運動組織的3D斷層攝影。
