全球最小3D生物打印機問世！加拿大團隊攻克聲帶修復(fù)難題

聲帶，作為人體內(nèi)負責(zé)發(fā)聲的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，擁有極其精細的組織結(jié)構(gòu)和高動態(tài)的機械性能。然而如果聲帶病變，長出如囊腫或息肉等異物，必須進行切除手術(shù)。但在術(shù)后，聲帶經(jīng)常會伴隨纖維化（Post-Surgical Fibrosis, PSF）的風(fēng)險，形成瘢痕組織。這種纖維化會顯著降低聲帶黏膜的彈性，妨礙正常的黏膜波振動，進而導(dǎo)致患者出現(xiàn)發(fā)聲困難問題。

在臨床技術(shù)上，雖然病灶能夠被完全切除，但如何在聲帶這一微小敏感的區(qū)域，實現(xiàn)受損組織的精確功能性重建，一直是外科醫(yī)生乃至再生醫(yī)學(xué)面臨的長期挑戰(zhàn)。

針對這一問題，加拿大麥吉爾大學(xué)（McGill University）的研究團隊有所突破。10 月 29 日，他們在《Device》期刊上發(fā)表報告，介紹了團隊開發(fā)的一種用于微創(chuàng)原位聲帶修復(fù)（Minimally Invasive In Situ Bioprinter, MIISB）的生物打印設(shè)備。該設(shè)備的設(shè)計著眼于如何在狹窄的體內(nèi)環(huán)境中，精確地輸送具有生物活性的材料，以促進組織再生并降低纖維化發(fā)生率。

圖 | MIISB 工作流程示意圖（來源：Device）

這款設(shè)備的核心是一個高度柔性的連續(xù)體機器打印頭（continuum robotic printhead）。其外徑僅為 2.7 毫米，總長約 300 毫米。在聲帶手術(shù)中，醫(yī)生通常采用懸吊喉鏡檢查（Suspension Laryngoscopy, SL），手術(shù)器械需要通過直徑約為 10.5 毫米至 13.5 毫米的工作通道進入喉部。因此，MIISB 打印頭的小型化設(shè)計，使其能夠兼容于標(biāo)準(zhǔn)的 SL 程序，避免了在手術(shù)過程中阻擋外科醫(yī)生對聲帶的視野與觀察。

除了足夠微小外，MIISB 打印頭在靈活度上也十分出色。研究團隊受啟發(fā)于自然界中的靈活結(jié)構(gòu)，特別是大象的鼻子，設(shè)計出了它的獨特結(jié)構(gòu)——不是依賴于剛性的鉸鏈或關(guān)節(jié)，而是通過內(nèi)部集成的三根獨立驅(qū)動纜線來操縱柔性臂的彎曲和延伸，從而在三維空間內(nèi)定位噴嘴。這種運動機制使得設(shè)備能夠在聲帶這一高度彎曲和深藏的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)操作。

圖 | 打印頭模型（來源：Device）

根據(jù)研究團隊的報告，在 20 毫米的工作范圍內(nèi)，該設(shè)備實現(xiàn)了 1.33 毫米的定位精度平均絕對誤差，并保持了小于 0.2 毫米的重復(fù)性，以及低至 1.2 毫米的最低一致打印分辨率。這些數(shù)據(jù)表明，設(shè)備具備在微觀尺度下對生物材料進行可控沉積的潛力。

研究人員在實驗中選用了透明質(zhì)酸基水凝膠（hyaluronic acid hydrogel）作為生物墨水的主要成分，這是一種與聲帶固有層（lamina propria）天然細胞外基質(zhì)（Extracellular Matrix, ECM）相似的生物材料，具有較好的生物相容性和適當(dāng)?shù)恼硰椥浴?/p>

實驗技術(shù)報告顯示，通過 MIISB 打印頭，水凝膠被成功地沉積到人造聲帶模型上的模擬缺陷區(qū)域，如聲帶溝（sulcus）和病灶切除后的空腔，用以重建組織的幾何形狀。對這一步精確度的高要求，目的在確保水凝膠能夠植入到聲帶的淺層固有層——這是負責(zé)發(fā)聲振動的關(guān)鍵組織層。

在操作方面，當(dāng)前版本的 MIISB 采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的運動學(xué)模型來進行實時控制。設(shè)備目前由有經(jīng)驗的操作人員通過無線控制器或類似 PlayStation 游戲手柄的設(shè)備進行手動引導(dǎo)。這種人機交互模式使得外科醫(yī)生可以根據(jù)實時觀察調(diào)整打印位置。不過，研究團隊已將實現(xiàn)程序化、自動化控制列入后續(xù)的開發(fā)目標(biāo)，即通過整合圖像識別系統(tǒng)，使打印機能夠自主遵循預(yù)先規(guī)劃好的打印路徑，進一步提升沉積的精確度和效率。

圖 | 水凝膠植入過程示意（來源：Device）

盡管初步研究是在離體手術(shù)模型（ex vivo surgical models）上進行的，但這項技術(shù)被認為具有擴展至臨床應(yīng)用的潛力。該研究工作的共同作者、賓夕法尼亞州立大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師易卜拉欣·奧茲博拉特（Ibrahim Ozbolat）在接受媒體采訪時指出，相較于傳統(tǒng)的生物打印主要針對體表缺陷修復(fù)，MIISB 的出現(xiàn)，使得在體內(nèi)深處修復(fù)組織缺陷成為可能。

在臨床驗證方面，該設(shè)備仍處于早期階段，下一步必須在動物模型（in vivo）中進行測試，以評估水凝膠在活體環(huán)境中的生物整合、長期穩(wěn)定性和設(shè)備在生理條件下的安全性，并驗證其對發(fā)聲功能恢復(fù)的實際影響。例如，要對小動物（如大鼠或猴子）進行測試，可能還需要對設(shè)備的尺寸和機械臂的柔韌性進行重新調(diào)整。此外，該設(shè)備目前的低剛度特性，可能會在接觸組織或受到外科醫(yī)生無意振動時，放大運動誤差。團隊未來的工程優(yōu)化將集中于提高機械臂的剛度控制，并在算法層面集成更強大的抗震動補償模型。

研究人員也在考慮 MIISB 平臺的多功能性擴展。由于其柔性臂具備高精度定位的能力，該平臺未來有可能被用于整合其他微創(chuàng)手術(shù)工具，例如微型手術(shù)刀或鑷子，以增強其在狹窄空間內(nèi)的操作能力，使其成為一個多用途的內(nèi)窺鏡手術(shù)輔助系統(tǒng)。

1.https://www.nature.com/articles/d41586-025-03538-y

2.https://doi.org/10.1038/d41586-025-03538-y

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