近期，澳大利亞新南威爾士大學(xué)悉尼分校的研發(fā)人員表示，已經(jīng)開發(fā)出一種能夠直接在人體器官上3D打印生物材料的微型手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂。該裝置目前被稱為F3DB，可以像內(nèi)窺鏡一樣進(jìn)入人體，將生物材料輸送到內(nèi)部器官和組織的表面，并進(jìn)行3D打印。
新南威爾士大學(xué)的研究人員公布了一款名為F3DB的原型設(shè)備——一款靈活、柔軟、用于3D生物打印的手術(shù)機(jī)械臂。該設(shè)備可以直接將活體細(xì)胞3D打印到內(nèi)部器官上，并有可能被用作多合一的內(nèi)窺鏡手術(shù)工具。
新南威爾士大學(xué)醫(yī)療機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的博士Thanh Nho Do與他的博士生Mai Thanh Thai共同研發(fā)，Nigel Lovell教授、Hoang-Phuong Phan博士和Jelena Rnjak-Kovacina副教授合作完成了這項(xiàng)研究，該研究發(fā)表在Advanced Science期刊上。
F3DB可以像內(nèi)窺鏡一樣進(jìn)入人體，直接將多層生物材料輸送到內(nèi)部器官和組織的表面。F3DB有一個(gè)高度可操作的旋轉(zhuǎn)頭，用于打印生物墨水。它與又長又靈活的機(jī)械臂的末端相連，機(jī)械臂由外部控制。
研究人員認(rèn)為，在五到七年內(nèi)，隨著進(jìn)一步的發(fā)展，醫(yī)療專業(yè)人員可以利用他們的技術(shù)，通過小的皮膚切口或自然孔道進(jìn)入身體內(nèi)難以到達(dá)的區(qū)域。研究人員已經(jīng)在一個(gè)人造結(jié)腸內(nèi)進(jìn)行了早期測試。他們還在豬的腎臟表面3D打印了各種具有不同形狀的材料。
▲新南威爾士大學(xué)悉尼分校研發(fā)的微型柔性3D生物打印機(jī)能夠在豬的腎臟表面3D打印出各種不同形狀的材料
#傳統(tǒng)3D生物打印機(jī)的局限性
Thanh Nho Do博士表示，該方法解決了現(xiàn)有3D生物打印機(jī)的局限性，如表面不匹配和結(jié)構(gòu)損壞等。F3DB為精確的3D傷口重建提供了新的方向，有望用于胃壁損傷或結(jié)腸損傷等疾病的治療。
▲Thanh Nho Do博士（右）
憑借靈活的機(jī)身，該原型機(jī)可以在狹窄和難以觸及的空間內(nèi)3D打印各種生物材料。
此外，他還表示：“現(xiàn)有的3D生物打印技術(shù)需要在體外制作生物材料，而將其植入人體內(nèi)通常需要進(jìn)行大型的開放手術(shù)，這就增加了感染風(fēng)險(xiǎn)，我們靈活的3D生物打印機(jī)意味著生物材料可以用一種微創(chuàng)的方法直接送入目標(biāo)組織或器官?！?br/>
F3DB的直徑與目前商業(yè)化的治療用內(nèi)窺鏡相似，約11-13毫米。該設(shè)備尺寸足夠小，可以進(jìn)入人類的胃腸道中。研究人員表示，他們將繼續(xù)縮小機(jī)械臂的尺寸。
Nigel Lovell教授表示：“目前，還沒有商業(yè)上可用的設(shè)備能夠在離皮膚表面較遠(yuǎn)的內(nèi)部組織或器官上進(jìn)行原位3D生物打印。其他一些概念驗(yàn)證模型已經(jīng)提出，但它們比較僵硬，在身體內(nèi)部復(fù)雜和狹窄的空間使用起來也很困難?！?/p>
#F3DB軟體機(jī)器人裝置的特點(diǎn)
F3DB包括一個(gè)直接安裝在軟體機(jī)器人手臂頂端的三軸打印頭。頭部具有柔軟的人工肌肉，可以在三個(gè)方向上移動(dòng)。
軟體機(jī)械臂使用液壓系統(tǒng)來彎曲和扭曲。研究人員可以調(diào)整機(jī)械臂的長度，并通過各種彈性管和織物對其硬度進(jìn)行微調(diào)。
研究人員稱，他們可以對噴嘴進(jìn)行編程，以打印出預(yù)先確定的形狀。在需要時(shí)，它也可以手動(dòng)操作，進(jìn)行更復(fù)雜的生物打印。該團(tuán)隊(duì)引入了一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的控制器來協(xié)助打印。
為了證明可行性，新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)在打印完成后測試了活體生物材料的細(xì)胞活力。實(shí)驗(yàn)表明，該過程對細(xì)胞沒有影響。大多數(shù)細(xì)胞在打印后是活的，并在接下來的七天里繼續(xù)生長。研究人員在打印一周后觀察到細(xì)胞的體積增長了4倍。
#多合一內(nèi)窺鏡手術(shù)平臺
研究人員稱，F(xiàn)3DB可以成為一個(gè)多合一的內(nèi)窺鏡手術(shù)平臺，能夠進(jìn)行一些癌癥的切除手術(shù)（如結(jié)直腸癌）。而機(jī)械臂的打印頭可以作為一種“電動(dòng)手術(shù)刀”來操作，以標(biāo)記和切掉癌癥病灶。醫(yī)生還可以通過噴嘴將水引入手術(shù)部位，清理血液和多余的組織。
以上功能已經(jīng)在豬的腸道上得到了驗(yàn)證。
Mai Thanh Thai稱：“與現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡手術(shù)器械相比，F(xiàn)3DB將成為一款多合一的內(nèi)窺鏡，減少手術(shù)過程中器械的更換，有利于降低感染風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約手術(shù)時(shí)間?！?/p>
下一階段，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃對活體動(dòng)物進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)。該技術(shù)已經(jīng)獲得臨時(shí)專利，并計(jì)劃引入更多功能，如加入集成攝像頭和實(shí)時(shí)掃描系統(tǒng)，以對體內(nèi)組織進(jìn)行三維斷層掃描和重建。
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