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近期，澳大利亞新南威爾士大學悉尼分校的研發(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)機器人機械臂。該裝置目前被稱為F3DB，可以像內(nèi)窺鏡一樣進入人體，將生物材料輸送到內(nèi)部器官和組織的表面，并進行3D打印。

新南威爾士大學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)機械臂。該設(shè)備可以直接將活體細胞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。

新南威爾士大學醫(yī)療機器人實驗室的博士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械臂的末端相連，機械臂由外部控制。

研究人員認為，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(shù)，通過小的皮膚切口或自然孔道進入身體內(nèi)難以到達的區(qū)域。研究人員已經(jīng)在一個人造結(jié)腸內(nèi)進行了早期測試。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。

▲新南威爾士大學悉尼分校研發(fā)的微型柔性3D生物打印機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）

憑借靈活的機身，該原型機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)通常需要進行大型的開放手術(shù)，這就增加了感染風險，我們靈活的3D生物打印機意味著生物材料可以用一種微創(chuàng)的方法直接送入目標組織或器官?！?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，可以進入人類的胃腸道中。研究人員表示，他們將繼續(xù)縮小機械臂的尺寸。

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的內(nèi)部組織或器官上進行原位3D生物打印。其他一些概念驗證模型已經(jīng)提出，但它們比較僵硬，在身體內(nèi)部復雜和狹窄的空間使用起來也很困難?！?/p>

#F3DB軟體機器人裝置的特點

F3DB包括一個直接安裝在軟體機器人手臂頂端的三軸打印頭。頭部具有柔軟的人工肌肉，可以在三個方向上移動。

軟體機械臂使用液壓系統(tǒng)來彎曲和扭曲。研究人員可以調(diào)整機械臂的長度，并通過各種彈性管和織物對其硬度進行微調(diào)。

研究人員稱，他們可以對噴嘴進行編程，以打印出預先確定的形狀。在需要時，它也可以手動操作，進行更復雜的生物打印。該團隊引入了一個基于機器學習的控制器來協(xié)助打印。

為了證明可行性，新南威爾士大學團隊在打印完成后測試了活體生物材料的細胞活力。實驗表明，該過程對細胞沒有影響。大多數(shù)細胞在打印后是活的，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可以成為一個多合一的內(nèi)窺鏡手術(shù)平臺，能夠進行一些癌癥的切除手術(shù)（如結(jié)直腸癌）。而機械臂的打印頭可以作為一種“電動手術(shù)刀”來操作，以標記和切掉癌癥病灶。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，有利于降低感染風險，節(jié)約手術(shù)時間?！?/p>

下一階段，團隊計劃對活體動物進行體內(nèi)試驗。該技術(shù)已經(jīng)獲得臨時專利，并計劃引入更多功能，如加入集成攝像頭和實時掃描系統(tǒng)，以對體內(nèi)組織進行三維斷層掃描和重建。