機器人生物3D打印平臺旨在從體內治愈胃部傷口
時間：2020-08-21 09:42 來源：中國3D打印網 作者：中國3D打印網 閱讀：次
中國3D打印網8月21日訊，我們已經看到了用于在骨頭上吸取新細胞并打印皮膚以幫助燒傷傷口的手持式生物打印機，現在，來自中國清華大學的一對研究人員開發了一種生物打印機器人，該機器人可以從人體內部治療胃部傷口。徐濤教授和博士生趙文祥共同創造了一個原型機器人，該機器人足夠小，可以通過內窺鏡插入患者的胃中進行治療。他們在《生物制造》雜志上發表了一篇關于其工作的論文，題為“用于原位體內生物打印的初步工程：一種用于在胃傷口部位進行原位體內生物打印的新型微生物打印平臺”。
如果不及時治療，一個人的胃壁上的開放性傷口會變得非常嚴重，甚至需要進行手術。“柳葉刀研究表明，胃壁損傷是消化道最常見的疾病之一，全世界約12％的人口在不同程度上患有胃壁損傷。最近的研究表明，常見的胃壁損傷的主要原因是幽門螺桿菌在消化道內部對粘膜的保護作用減弱。徐教授和趙教授在論文中寫道，主流治療方法包括保守藥物和外科治療。“目前，關于將生物打印技術應用于胃道組織修復的研究很少，但這是一個值得探索的領域。為了進行體內原位生物打印，第一步是開發可用的微型生物打印機，在此基礎上，我們可以繼續進行后續研究，以創建具有生物活性的組織。本文是研究通過原位體內生物打印修復組織的新方法的第一步。”
以胃壁損傷治療為例的原位體內生物打印示意圖。
他們共同創建了一個微型生物打印平臺，該平臺足夠小，可以安裝在內窺鏡上，因為插入時它實際上可以折疊成更薄的自身版本，然后在內部打開后就可以到達特定位置為了完成原位3D打印以治療傷口。據中國3D打印網了解，平臺的工作空間的投影應該大于平臺的橫截面面積，因此，平臺可以有盡可能多的工作空間，同時仍可以將其最小化。這就是研究人員選擇Delta機器人的原因，這意味著它的頭部由移動的平臺和固定的剛性底座組成，并由彼此獨立移動的三個手臂或運動鏈圍繞。
每個運動鏈由一個驅動臂和一個被動臂組成，它們通過球形鉸鏈連接。后者由平行四邊形閉環組成，以保持移動平臺水平移動。但是，在這種微型平臺上很難處理球形鉸鏈，因此我們使用PC-MEMS技術創建了兩個垂直旋轉關節，該關節由兩個剛性層和一個具有撓性旋轉軸的柔性層組成，以代替原來的球形鉸鏈。運動鏈。
生物打印平臺的制造。 （A）Delta機器人處于正常狀態。 （B）Delta機器人處于折疊狀態。 （C），（D）生物打印平臺固定底座的制造。 （E）使用PC-MEMS技術的運動鏈層壓。 （F）運動鏈。 （G）具有運動鏈的移動平臺。
一旦平臺將其自身向下折疊以進入體內，然后其三個臂引導管子，該管子將兩種不同類型的水凝膠生物墨水擠壓成兩個獨立的層，以構建覆蓋胃傷口的支架。一種生物墨水包含人胃上皮細胞，另一種具有人胃平滑肌細胞。為了測試平臺完成生物打印任務的能力，徐教授和趙教授確定需要“執行組織支架所需的基本軌跡”，并為他們的實驗開發了胃模型。他們使用Materialize Mimics軟件重建人胃的CT數據，并使用立體光刻技術從透明樹脂和模仿內窺鏡的彎曲管中打印出模型。這對夫婦將他們的生物打印平臺固定在管道上，并在其中安裝了23號針頭，該針頭通過聚四氟乙烯（PTFE）管連接到注射器，以減少實際擠出過程中的摩擦。
如果不及時治療，一個人的胃壁上的開放性傷口會變得非常嚴重，甚至需要進行手術。“柳葉刀研究表明，胃壁損傷是消化道最常見的疾病之一，全世界約12％的人口在不同程度上患有胃壁損傷。最近的研究表明，常見的胃壁損傷的主要原因是幽門螺桿菌在消化道內部對粘膜的保護作用減弱。徐教授和趙教授在論文中寫道，主流治療方法包括保守藥物和外科治療。“目前，關于將生物打印技術應用于胃道組織修復的研究很少，但這是一個值得探索的領域。為了進行體內原位生物打印，第一步是開發可用的微型生物打印機，在此基礎上，我們可以繼續進行后續研究，以創建具有生物活性的組織。本文是研究通過原位體內生物打印修復組織的新方法的第一步。”
以胃壁損傷治療為例的原位體內生物打印示意圖。
他們共同創建了一個微型生物打印平臺，該平臺足夠小，可以安裝在內窺鏡上，因為插入時它實際上可以折疊成更薄的自身版本，然后在內部打開后就可以到達特定位置為了完成原位3D打印以治療傷口。據中國3D打印網了解，平臺的工作空間的投影應該大于平臺的橫截面面積，因此，平臺可以有盡可能多的工作空間，同時仍可以將其最小化。這就是研究人員選擇Delta機器人的原因，這意味著它的頭部由移動的平臺和固定的剛性底座組成，并由彼此獨立移動的三個手臂或運動鏈圍繞。
每個運動鏈由一個驅動臂和一個被動臂組成，它們通過球形鉸鏈連接。后者由平行四邊形閉環組成，以保持移動平臺水平移動。但是，在這種微型平臺上很難處理球形鉸鏈，因此我們使用PC-MEMS技術創建了兩個垂直旋轉關節，該關節由兩個剛性層和一個具有撓性旋轉軸的柔性層組成，以代替原來的球形鉸鏈。運動鏈。
生物打印平臺的制造。 （A）Delta機器人處于正常狀態。 （B）Delta機器人處于折疊狀態。 （C），（D）生物打印平臺固定底座的制造。 （E）使用PC-MEMS技術的運動鏈層壓。 （F）運動鏈。 （G）具有運動鏈的移動平臺。
一旦平臺將其自身向下折疊以進入體內，然后其三個臂引導管子，該管子將兩種不同類型的水凝膠生物墨水擠壓成兩個獨立的層，以構建覆蓋胃傷口的支架。一種生物墨水包含人胃上皮細胞，另一種具有人胃平滑肌細胞。為了測試平臺完成生物打印任務的能力，徐教授和趙教授確定需要“執行組織支架所需的基本軌跡”，并為他們的實驗開發了胃模型。他們使用Materialize Mimics軟件重建人胃的CT數據，并使用立體光刻技術從透明樹脂和模仿內窺鏡的彎曲管中打印出模型。這對夫婦將他們的生物打印平臺固定在管道上，并在其中安裝了23號針頭，該針頭通過聚四氟乙烯（PTFE）管連接到注射器，以減少實際擠出過程中的摩擦。
生物打印實驗設備。 （B）原位體內生物打印的過程。 （C）在交聯之前，由GES-1細胞和HGSMC組成的印刷2層組織支架。 （比例尺：1厘米）。 （D，E）具有有利的機械性能的印刷的8層支架。
“我們以兩種方式對系統進行了測試。首先，用人胃和內窺鏡的生物模型模擬該過程的插入和打印操作元素。其次，我們在細胞培養皿中進行了生物打印測試，以測試該設備在生物打印活細胞和修復傷口方面的有效性。“為期10天的細胞培養表明，打印的細胞保持高活力和穩定的增殖，這表明打印的組織支架中的細胞具有良好的生物學功能。”兩層結構穩定，纖維光滑，八層腳手架輪廓清晰，形狀保真度高，同時又足夠小，可用鑷子撿起。在實驗成功的同時，他們仍然需要完善系統，例如使機器人的3D打印平臺變得更小，并進一步改善生物墨水。他們總結說：“相應的內窺鏡和其他部件（如檢測系統）也將被設計和集成，以實現原位體內生物打印。”
原型機器人的特寫鏡頭在人的胃的3D打印的模型內。（來源：清華大學）
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