原创 3D生物打印机打造人体生物组织

JOHN BOYD  IEEE电气电子工程师 2023-03-21 16:06 发表于北京

UNSW SYDNEY

生物打印是利用3D打印技术用生物材料制造组织。它主要可用来制造用于研究和体外药物测试的人体组织。当用于制作植入患者体内的身体部位时，必须首先用台式生物打印机打印该部位，然后通常需要进行大型开放式手术。这其中的可能需要承担除了感染风险和长时间的恢复外，还可能引发打印部位与所连接的内部目标组织之间不匹配，以及由污染和处理引起的问题等。

为了克服这些挑战，澳大利亚新南威尔士大学悉尼分校的研究人员开发了一种微型软机械臂和柔性打印头，并将其集成到一个长管状导管中，该导管构成了柔性打印机主体，而机械臂和打印头都有三个自由度。

新南威尔士大学生物医学工程研究生院高级讲师Thanh Nho Do和他的博士生Mai Thanh Thai领导了该研究团队。Thanh Nho Do表示：“我们的柔性3D生物打印机F3DB可以通过微创方法将生物材料直接输送到目标组织或器官上。”

Do补充道，F3DB不仅有可能直接重建身体受损部位，它“还可以用作一种一体式内窥镜手术工具，喷嘴可以起到手术刀的作用”。这将避免使用现在用于较长手术（如切除肿瘤）的不同工具进行清洁、标记和切割。

进度条，百分之88

Source: UNSW Sydney，YOUTU.BE

尽管在过去的十年里，人们对原位生物打印进行了研究，但宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学教授Ibrahim Ozbolat在评论2月份发表在《高级科学》上的研究细节时表示，“由于各种困难，对内脏的生物打印受到了限制”。“这种移动一体式内窥镜生物打印设备是新颖的，”他说，并可以“通过允许实时观察，完成手术切口和在内脏上进行生物打印来推进现有技术的发展。”

该装置的直径与内窥镜的直径相似（约11至13毫米），小到可以通过口腔或肛门插入体内。软机械臂由三个软织物波纹管致动器致动，该致动器由液压系统调节，该液压系统由直流电机驱动的注射器组成，该注射器将水泵送到致动器。柔性打印头由柔软的液压人工肌肉组成，使打印喷嘴能够像传统的台式3D打印机一样向三个方向移动。总体控制是通过主从式设置进行的，该设置使用商用触觉系统来传输主机的手部运动。

到达目标后，手臂和打印头由基于反向运动学的自动算法控制，反向运动学是一个数学过程，用于确定将生物材料输送到内部器官或组织表面所需的运动。打印由一个附带的柔性微型摄像头监控。

为了测试该设备，研究人员首先在实验室中使用液体硅树脂和巧克力等各种非生物材料打印不同的多层3D图案。在进一步的实验中，他们用非生物材料在猪肾表面打印出各种形状。后来，研究人员在人造结肠内的玻璃表面上原位印刷了活体生物材料。

Do说：“我们看到细胞每天都在生长，在实验的最后一天，即第七天，细胞数量增加了四倍。”

为了测试该设备作为内窥镜手术的通用工具，研究人员执行了各种功能，如清洗、标记和解剖猪的肠道。Do说：“研究结果表明，F3DB有很大的潜力被开发成一种用于内窥镜黏膜下剥离手术的一体化内窥镜工具。”

还需要进一步的改进，包括在控制打印的运动学模型中包含更多的参数，以及添加更多的相机来更好地监控打印。Do说：“然后我们将开始在动物身上测试该设备，最终在人类身上测试。我们希望在未来五到七年内看到该设备在医院投入使用。”

Ozbolat对此表示赞同：“但它的安全性需要首先得到验证，并进行其他改进。” 他指出，3D内窥镜机械臂已经在临床上使用，因此，只要该设备的可行性和安全性得到证明，“商业化只是时间问题”。