近期，澳大利亞新南威爾士大學悉尼分校的研發人員表示，已經開發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機器人機械臂。該裝置目前被稱為F3DB，可以像內窺鏡一樣進入人體，將生物材料輸送到內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的原型設備——一款靈活、柔軟、用于3D生物打印的手術機械臂。該設備可以直接將活體細胞3D打印到內部器官上，并有可能被用作多合一的內窺鏡手術工具。
新南威爾士大學醫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，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，該研究發表在Advanced Science期刊上。
F3DB可以像內窺鏡一樣進入人體，直接將多層生物材料輸送到內部器官和組織的表面。F3DB有一個高度可操作的旋轉頭，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，隨著進一步的發展，醫療專業人員可以利用他們的技術，通過小的皮膚切口或自然孔道進入身體內難以到達的區域。研究人員已經在一個人造結腸內進行了早期測試。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
一、傳統3D生物打印機的局限性
Thanh Nho Do博士表示，該方法解決了現有3D生物打印機的局限性，如表面不匹配和結構損壞等。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腸損傷等疾病的治療。
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3D打印各種生物材料。
此外，他還表示：“現有的3D生物打印技術需要在體外制作生物材料，而將其植入人體內通常需要進行大型的開放手術，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的方法直接送入目標組織或器官。”
F3DB的直徑與目前商業化的治療用內窺鏡相似，約11-13毫米。該設備尺寸足夠小，可以進入人類的胃腸道中。研究人員表示，他們將繼續縮小機械臂的尺寸。
Nigel Lovell教授表示：“目前，還沒有商業上可用的設備能夠在離皮膚表面較遠的內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提出，但它們比較僵硬，在身體內部復雜和狹窄的空間使用起來也很困難。”
二、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來彎曲和扭曲。研究人員可以調整機械臂的長度，并通過各種彈性管和織物對其硬度進行微調。
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。大多數細胞在打印后是活的，并在接下來的七天里繼續生長。研究人員在打印一周后觀察到細胞的體積增長了4倍。
三、多合一內窺鏡手術平臺
研究人員稱，F3DB可以成為一個多合一的內窺鏡手術平臺，能夠進行一些癌癥的切除手術（如結直腸癌）。而機械臂的打印頭可以作為一種“電動手術刀”來操作，以標記和切掉癌癥病灶。醫生還可以通過噴嘴將水引入手術部位，清理血液和多余的組織。
以上功能已經在豬的腸道上得到了驗證。
Mai Thanh Thai稱：“與現有的內窺鏡手術器械相比，F3DB將成為一款多合一的內窺鏡，減少手術過程中器械的更換，有利于降低感染風險，節約手術時間。”
下一階段，團隊計劃對活體動物進行體內試驗。該技術已經獲得臨時專利，并計劃引入更多功能，如加入集成攝像頭和實時掃描系統，以對體內組織進行三維斷層掃描和重建。
