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

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

Оборудование для работы в самых труднодоступных местах

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

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

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

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

Этот подход также является минимально инвазивным и может достигать цели через небольшой разрез на коже или естественное отверстие. Самый маленький прототип, разработанный командой, близок по диаметру к коммерчески доступным терапевтическим эндоскопам (около 11−13 мм), достаточно мал для введения в желудочно-кишечный тракт, и 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 отверждения биоматериалов перед хирургической имплантацией, отсутствие несоответствия интерфейса между напечатанным биоматериалом и целевой поверхностью, а также возможность проведения минимально инвазивных хирургических процедур. Исследовательская группа считает, что при дальнейшем развитии эта технология может быть доступна для использования медицинскими работниками в течение пяти-семи лет. Исследовательская группа протестировала устройство на искусственной толстой кишке, а также 3D-печатала различные формы материала на поверхности свиной почки.

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

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

Источник: new-science.ru