得益于新型软体机器人，人体内部的3D生物打印成为可能

新南威尔士大学悉尼分校的工程师开发了一种微型灵活的软机械臂，可用于将生物材料直接3d打印到人体内的器官上。

3d生物打印是一种用所谓的生物医学部件制造的过程bioink构造:构造天然的组织状结构

生物打印主要用于研究目的，如组织工程和新药的开发，通常需要使用大型3D打印机在活体外产生细胞结构。

新南威尔士大学医学机器人实验室的这项新研究由Thanh Nho Do博士和他的博士生Mai Thanh Thai领导，与新南威尔士大学的其他研究人员合作，包括科学教授Nigel Lovell, Dr. Hoang-Phuong Phan和副教授Jelena Rnjak-Kovacina，在发表于《柳叶刀》的一篇论文中详细介绍了这项研究先进的科学．

他们的工作已经产生了一种微型柔性3D生物打印机，它能够像内窥镜一样插入身体，并直接将多层生物材料输送到内部器官和组织表面。

这种概念验证设备被称为F3DB，其特点是一个高度可操作的旋转头部，可以“打印”生物墨水，连接到一条长而灵活的蛇形末端机械手臂，所有这些都可以从外部控制。

研究小组说，随着进一步的发展，可能在五到七年内，这项技术可以被医疗专业人员使用，通过小皮肤切口或天然孔进入体内难以到达的区域。

Do博士和他的团队已经在人造结肠中测试了他们的设备，并在猪肾表面3d打印了各种不同形状的材料。

新南威尔士大学生物医学工程研究生院(GSBmE)和Tyree基金会健康工程研究所(IHealthE)的科学高级讲师Do博士说:“现有的3D生物打印技术需要在体外制造生物材料，将其植入人体通常需要大型露天手术，这增加了感染风险。”

“我们的柔性3D生物打印机意味着生物材料可以通过微创方法直接输送到目标组织或器官中。该系统为精确重建体内三维伤口提供了可能，例如胃壁损伤或结肠内的损伤和疾病，”Do博士继续说道。

“由于其灵活的身体，我们的原型能够通过狭窄和难以到达的区域3D打印不同大小和形状的多层生物材料。

Do博士指出:“我们的方法还解决了现有3D生物打印机的重大局限性，例如3D打印生物材料与目标组织/器官之间的表面不匹配，以及手动处理、转移和运输过程中的结构损伤。”

GSBmE负责人、IHealthE主任、科学家Nigel Lovell教授补充说:“目前，还没有商业上可用的设备可以在远离皮肤表面的内部组织/器官上进行原位生物打印。已经提出了其他一些概念验证设备，但它们在体内复杂和狭窄的空间中使用更加僵硬和棘手。”

新南威尔士大学团队生产的最小的F3DB原型机直径与商用治疗内窥镜相似(约11-13毫米)，小到足以插入人体胃肠道。

但研究人员表示，它可以很容易地缩小规模，用于未来的医疗用途。

柔软的机器人

该设备的特点是三轴打印头直接安装在软机械臂的尖端。这个打印头由柔软的人造肌肉组成，可以向三个方向移动，工作原理与传统的桌面3D打印机非常相似。

由于水力学的原因，软机械臂可以弯曲和扭转，并且可以按照所需的任何长度制造。它的刚度可以使用不同类型的弹性管和织物进行微调。

打印喷嘴可以通过编程来打印预先确定的形状，或者在需要更复杂或不确定的生物打印时手动操作。此外，该团队还利用了一个基于机器学习的控制器来辅助打印过程。

为了进一步证明该技术的可行性，新南威尔士大学的研究小组测试了细胞的生存能力生物材料然后通过他们的系统打印出来。实验表明，这些细胞不受这一过程的影响，打印后观察到的大多数细胞都是活的。在接下来的七天里，这些细胞继续生长，打印一周后观察到的细胞数量是原来的四倍。

一体化内窥镜手术工具

研究小组还展示了F3DB如何潜在地用作一种一体化的内窥镜手术工具，以执行一系列功能。他们说，这在通过内窥镜粘膜下剥离术(ESD)切除某些癌症(尤其是结直肠癌)的手术中尤其重要。

在世界范围内，结直肠癌是癌症死亡的第三大常见原因，但早期切除结直肠癌瘤可使患者的五年生存率至少提高90%。

F3DB打印头的喷嘴可作为一种电动手术刀，先标记，再切除癌变病灶。水还可以通过喷嘴引导，同时清洗伤口上的任何血液和多余组织，而在机械臂仍在原地时，生物材料的即时3D打印可以促进更快的愈合。

研究人员在猪的肠道上证明了这种多功能手术的能力，研究结果表明F3DB是未来开发一种一体化内窥镜手术工具的很有前途的候选者。

Mai Thanh Thai说:“与现有的内镜手术工具相比，开发的F3DB被设计为一种一体化的内镜工具，避免了使用通常与较长手术时间和感染风险相关的可变工具。”

该系统已获得临时专利，下一阶段的开发是在活体动物身上进行实验，以证明其实际用途。研究人员还计划实现其他功能，例如集成摄像头和实时扫描系统，可以重建体内运动组织的3D断层扫描。