全球最小3D生物打印機(jī)器人可輸送水凝膠修復(fù)受損聲帶

受象鼻啟發(fā)，麥吉爾大學(xué)研究人員研發(fā)出可置入人體喉部的柔性生物打印機(jī)，用于重建聲帶。

由生物力學(xué)工程師與外科醫(yī)生組成的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款能變革聲帶手術(shù)的3D打印軟體機(jī)器人。

這款專為向受損組織精準(zhǔn)輸送水凝膠設(shè)計(jì)的裝置，直徑僅2.7毫米，成為目前報道過的最小生物打印機(jī)。

研究詳述了這款由外科醫(yī)生操控的柔性工具，如何通過前所未有的精準(zhǔn)重建精密聲帶組織，幫助患者術(shù)后恢復(fù)發(fā)聲能力。

聲帶手術(shù)常導(dǎo)致患者聲帶僵硬瘢痕化，造成發(fā)聲困難。約3%-9%的人群因需手術(shù)切除的囊腫、增生或腫瘤而出現(xiàn)嗓音障礙。

傳統(tǒng)手術(shù)中，醫(yī)生雖會注射水凝膠防止瘢痕形成，但在狹窄喉腔內(nèi)難以精確控制注射過程。

麥吉爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)由此突破困境。"我們的設(shè)備不僅注重精度與打印質(zhì)量，更兼顧外科醫(yī)生的操作體驗(yàn)，"該研究第一作者、生物醫(yī)學(xué)工程師斯溫·格倫表示，"其緊湊柔性設(shè)計(jì)既能適配標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)流程，又能在受限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時手動控制。"

研究人員旨在打造能置入患者喉部且不遮擋手術(shù)視野的微型打印機(jī)。現(xiàn)有用于肝臟和結(jié)腸的生物打印機(jī)在此精密環(huán)境中顯得過于笨重。

最初連科研人員都認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)。"我起初覺得這不可行 —— 制造小于3毫米的柔性機(jī)器人如同天方夜譚，"資深作者呂克·蒙戈坦言。

仿生象鼻的工程靈感

為實(shí)現(xiàn)突破，團(tuán)隊(duì)從出人意料的靈感源泉 —— 象鼻中汲取創(chuàng)意。

打印頭模擬象鼻的柔性纜控結(jié)構(gòu)。噴嘴位于纖細(xì)"象鼻"頂端，連接于手術(shù)顯微鏡上的控制模塊。

機(jī)器人可擠出1.2毫米精細(xì)線條的透明質(zhì)酸水凝膠。醫(yī)生能在20毫米工作范圍內(nèi)實(shí)時手動控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可重復(fù)的運(yùn)動。

"該設(shè)備最令人驚嘆之處在于，即便它本質(zhì)上是根軟管，運(yùn)動軌跡卻完全可控，"合著者奧黛麗·塞達(dá)爾解釋道，"見過花園水管的人都知道，通水時軟管會瘋狂擺動。"

研究人員通過手動"繪制"螺旋線、心形及字母測試系統(tǒng)性能，隨后在手術(shù)訓(xùn)練用合成聲帶上進(jìn)行水凝膠輸送實(shí)驗(yàn)。

機(jī)器人精準(zhǔn)重建了聲帶幾何形態(tài)，成功復(fù)現(xiàn)病灶切除或部分重建導(dǎo)致的真實(shí)組織缺損。

邁向臨床應(yīng)用

目前該設(shè)備需醫(yī)生手動操作，但團(tuán)隊(duì)計(jì)劃增加半自動功能。"我們正努力推動臨床轉(zhuǎn)化，"蒙戈表示，"下一步將在動物體內(nèi)測試水凝膠，最終有望開展人體臨床試驗(yàn)，驗(yàn)證生物打印機(jī)與水凝膠的精準(zhǔn)性、實(shí)用性及臨床效果。"

若研發(fā)成功，這款掌心大小的機(jī)器人或?qū)轱@微外科開啟新紀(jì)元 —— 用層層堆疊的技術(shù)重建失落的嗓音。

該研究已發(fā)表于《Device》期刊。

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