3D-печать внутри тела становится возможной благодаря новому типу гибкой роботизированной руки

2023-03-13 01:09

Технология 3D-биопечати имеет большой потенциал в лечении повреждений тканей и органов. Современные подходы включают биопечать живых тканей in vitro перед их внедрением в организм пациента. Исследовательская группа из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее смогла разработать гибкий роботизированный манипулятор, который может наносить 3D-печать биоматериалов непосредственно на органы внутри человеческого тела. Это устройство может помочь в разработке передовых эндоскопических хирургических роботов в будущем.

Существуют некоторые недостатки создания биоматериалов in#nbsp;vitro с#nbsp;помощью настольного биопринтера до#nbsp;их#nbsp;введения в#nbsp;организм. Исследователи отмечают, что поверхность не#nbsp;подготавливается к#nbsp;моменту имплантации, структура повреждается при обработке и#nbsp;транспортировке, а#nbsp;также существует высокий риск инфицирования. Кроме того, хирургическая операция, необходимая для#nbsp;введения напечатанного материала, приводит к#nbsp;более длительному периоду восстановления и#nbsp;более высоким затратам; устройство биопечати in#nbsp;situ может преодолеть все эти проблемы.

Для#nbsp;этого доктор Тхань Ньо До#nbsp;и#nbsp;его команда разработали небольшой и#nbsp;гибкий 3D-биопринтер, который можно вводить в#nbsp;организм подобно эндоскопу и#nbsp;печатать биоматериалы непосредственно на#nbsp;поверхности внутренних органов и#nbsp;тканей, таких как кишечник, желудок и#nbsp;сердце, под названием F3DB (Flexible 3D Bioprinter). Прототип состоит из#nbsp;печатающей головки с#nbsp;высокой степенью свободы, прикрепленной к#nbsp;концу длинной, гибкой, змееподобной роботизированной руки. Вся система управляется дистанционно в#nbsp;режиме «ведущий-ведомый».

Оборудование для работы в самых труднодоступных местах

В#nbsp;настоящее время на#nbsp;рынке нет оборудования, способного выполнять in#nbsp;situ 3D-биопечать на#nbsp;внутренних тканях и#nbsp;органах, расположенных далеко от#nbsp;поверхности кожи. Были опубликованы некоторые доказательства концепции, но#nbsp;они оказались относительно жесткими или громоздкими и#nbsp;не#nbsp;подходят для#nbsp;применения в#nbsp;труднодоступных местах.

Доктор До#nbsp;заключает: «Эта система имеет потенциал для#nbsp;точного воспроизведения трехмерных повреждений внутри тела, таких как повреждения брюшной стенки или раны и#nbsp;заболевания в#nbsp;толстой кишке». Благодаря гибкому корпусу, прототип может формировать многослойные биоматериалы различных размеров и#nbsp;форм даже в#nbsp;самых узких и#nbsp;труднодоступных местах тела. Движение роботизированной руки контролируется гидравлической системой и#nbsp;может быть любой длины.

Печатающая головка сделана из#nbsp;искусственных мышц, которые гибкие и#nbsp;могут двигаться в#nbsp;трех направлениях. Она может быть запрограммирована на#nbsp;печать заранее заданных форм или, в#nbsp;более сложных случаях, может управляться вручную. Для#nbsp;облегчения этого процесса встроен контроллер, основанный на#nbsp;машинном обучении. Кроме того, F3DB позволяет печатать в#nbsp;нескольких местах.

После завершения первого задания на#nbsp;печать роботизированный манипулятор можно переместить в#nbsp;другое место и#nbsp;поочередно выполнить еще одно задание на#nbsp;печать. Как пишут исследователи в#nbsp;журнале Advanced Science, «эта возможность расширяет область печати, покрывая всю поверхность органа или ткани тела, что невозможно при использовании существующих устройств для#nbsp;биопечати in#nbsp;vivo».

Этот подход также является минимально инвазивным и#nbsp;может достигать цели через небольшой разрез на#nbsp;коже или естественное отверстие. Самый маленький прототип, разработанный командой, близок по#nbsp;диаметру к#nbsp;коммерчески доступным терапевтическим эндоскопам (около 11−13 мм), достаточно мал для#nbsp;введения в#nbsp;желудочно-кишечный тракт, и#nbsp;исследователи утверждают, что его можно сделать еще меньше.

Считается, что F3DB может эффективно решить основные проблемы существующих технологий 3D-биопечати, такие как необходимость инкубации и#nbsp;отверждения биоматериалов перед хирургической имплантацией, отсутствие несоответствия интерфейса между напечатанным биоматериалом и#nbsp;целевой поверхностью, а#nbsp;также возможность проведения минимально инвазивных хирургических процедур. Исследовательская группа считает, что при дальнейшем развитии эта технология может быть доступна для#nbsp;использования медицинскими работниками в#nbsp;течение пяти-семи лет. Исследовательская группа протестировала устройство на#nbsp;искусственной толстой кишке, а#nbsp;также 3D-печатала различные формы материала на#nbsp;поверхности свиной почки.

Результаты показали, что клетки не#nbsp;пострадали от#nbsp;печати, и#nbsp;большинство клеток остались живыми после печати. Клетки также продолжали нормально расти и#nbsp;через неделю после печати их#nbsp;количество увеличилось в#nbsp;четыре раза. Кроме того, исследовательская группа продемонстрировала, что F3DB может проводить эндоскопические операции на#nbsp;свежей ткани свиньи.

Есть надежда, что это приведет к#nbsp;разработке гибких хирургических инструментов, которые позволят снизить риск заражения и#nbsp;время операции, поскольку не#nbsp;требуют использования множества инструментов. В#nbsp;частности, сопло печатающей головки можно использовать как электрокаутерический скальпель для#nbsp;маркировки и#nbsp;разрезания раковой опухоли, а#nbsp;через сопло можно заливать воду для#nbsp;промывания ткани и#nbsp;непосредственно печатать 3D-биоматериалы, что, как ожидается, ускорит заживление. Исследователи, получившие предварительный патент, планируют испытать технологию на#nbsp;живых животных, чтобы доказать ее#nbsp;практичность. Они также планируют включить дополнительные функции, такие как камеры и#nbsp;системы сканирования в#nbsp;реальном времени, для#nbsp;воспроизведения 3D-томографии движущихся тканей в#nbsp;организме.

Источник: new-science.ru