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，以構建自然的、類似組織的結構。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構。
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，可以像內窺鏡一樣進入人體。它直接將多層生物材料輸送到內部器官和組織的表面。F3DB具有高度可操作的旋轉頭，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，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難以到達的區(qū)域。工程師們已經在人造結腸內進行了早期測試。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，這種方法解決了現有3D生物打印機的局限性，如表面不匹配和結構損壞。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3D打印各種生物材料。
“現有的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。”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?！?/trans>
他們生產的最小F3DB原型的直徑與商業(yè)治療內窺鏡相似，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部組織/器官上進行原位3D生物打印，”Lovell說?！耙呀洺霈F了一些其他概念驗證設備，但它們在體內復雜和有限的空間中使用時更加僵硬和棘手?！?/trans>
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。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它的硬度。
據研究人員稱，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，F3DB可能是一個多功能的一體化內窺鏡手術平臺。這些包括切除某些癌癥的手術，如結腸直腸癌。根據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:“與現有的內窺鏡手術工具相比，開發(fā)的F3DB是一種一體化的內窺鏡工具，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運動組織的3D斷層攝影。
