Мягкий робот выполнит 3D-биопечать внутри человеческого тела — ученые

Миниатюрный многофункциональный и гибкий 3D-биопринтер с гибкой и мягкой роботизированной рукой для 3D-печати биоматериала непосредственно на органах внутри тела человека разработали специалисты Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее (Австралия), 27 февраля сообщает сайт новостей медицины и здравоохранения Medical Xpress.

Разработку и исследование возможностей миниатюрного гибкого 3D-биопринтера, который, как эндоскоп, можно вводить в тело пациента и доставлять биоматериалы на поверхность его внутренних органов и тканей для 3D-биопечати, провела под руководством доктора Тхань Нхо До и его аспирантки Май Тхань Тай команда сотрудников Лаборатории медицинской робототехники UNSW в сотрудничестве с другими учеными из UNSW.

Результаты проделанной работы исследователи представили в статье «Усовершенствованная мягкая роботизированная система для 3D-биопечати in situ и эндоскопической хирургии», опубликованной в журнале Advanced Science.

Разработанное командой UNSW устройство, получившее название F3DB, представляет собой длинную и гибкую роботизированную руку, управляемую извне, на конце которой находится очень подвижная поворотная головка, «печатающая» биочернилами.

Используемая в основном для лабораторных исследований возможностей тканевой инженерии и проверки действия новых лекарств биопечать живых 3D-конструкций обычно выполняется большими 3D-принтерами.

Доктор Тхань Нхо До пояснил: «Существующие методы 3D-биопечати требуют, чтобы биоматериалы производились вне тела, а для их имплантации человеку обычно требуется большая открытая операция, что увеличивает риск заражения».

«Наш гибкий 3D-биопринтер показывает, что биоматериалы можно напрямую доставлять в целевые ткани или органы с помощью минимально инвазивного подхода. Эта система предлагает потенциал для точной реконструкции трехмерных ран внутри тела, таких как травмы стенки желудка или повреждения и заболевания внутренней поверхности толстой кишки», — продолжил ученый свои пояснения.

Исследователи считают, что при дальнейшем совершенствовании этой технологии она поможет медицинским работникам получить доступ к областям внутри тела человека через небольшие разрезы кожи или естественные отверстия.

Исследование возможностей разработанного устройства команда провела внутри искусственной толстой кишки. Кроме того, они напечатали на поверхности почки свиньи с помощью F3DB несколько разных биоматериалов различной формы.

«В настоящее время нет коммерчески доступных устройств, которые могут выполнять 3D-биопечать in situ на внутренних тканях/органах, удаленных от поверхности кожи. Были представлены концептуальные устройства, но они гораздо более жесткие и сложные для использования в сложных и ограниченных пространствах внутри тела», — отметил другой член команды, исследователь Найджел Гамильтон Ловелл из Высшей школы биомедицинской инженерии инженерного факультета UNSW.

Прототип F3DB имеет диаметр, соответствующий размерам терапевтических эндоскопов (~ 11–13 мм), но его разработчики сообщают, что эти размеры могут быть легко уменьшены.

Трехосевая печатающая головка этого миниатюрного 3D-принтера, установленная на конце мягкой роботизированной руки, состоит из мягких искусственных мышц, которые управляют ее движением в трех направлениях.

Изгибание и скручивание мягкой роботизированной руки осуществляется за счет гидравлики. Ее длина практически не ограничена, а требуемая жесткость может быть достигнута с помощью использования различных типов эластичных трубок и материалов.

Форма биоматериала может быть как заранее запрограммированной, так и сформированной вручную, в процессе печати, если это потребуется из-за более сложного или неопределенного заранее участка, на котором нужно выполнить биопечать.

В процессе печати оператору F3DB может помочь в работе контроллер на основе машинного обучения, разработанный исследователями.

Проверку жизнеспособности клеток напечатанного живого биоматериала исследователи из команды UNSW провели с помощью разработанной ими системы. Эксперименты показали, что биопечать не повредила клеткам, большинство из них оставались живыми и продолжали расти. Через неделю после печати количество клеток возросло в четыре раза.

F3DB также можно использовать как универсальный эндоскопический хирургический инструмент, сообщили разработчики, например, для удаления некоторых видов опухолей, в том числе колоректального рака, с помощью эндоскопической диссекции подслизистого слоя.

Колоректальный рак, по данным ВОЗ, является третьей наиболее распространенной причиной смерти от злокачественных опухолей в мире. При этом его раннее хирургическое удаление позволяет на 90% увеличить пятилетнюю выживаемость пациентов.

Для удаления пораженного участка сопло F3DB можно использовать как электрический скальпель, который сначала пометит, а затем срежет раковые образования.

Для очистки прооперированного участка от крови и лишней ткани через сопло может подаваться вода, чтобы для более быстрого заживления без извлечения роботизированной руки выполнить немедленную 3D-печать биоматериала.

Способность устройства выполнять такие многофункциональные процедуры ученые продемонстрировали на кишечнике свиньи. Результат исследования показал, что F3DB является многообещающим кандидатом для будущей разработки универсального эндоскопического хирургического инструмента.

«По сравнению с существующими эндоскопическими хирургическими инструментами, разработанный F3DB был создан как универсальный эндоскопический инструмент, который позволяет избежать использования сменных инструментов, что обычно связано с более длительным процедурным временем и риском заражения», — рассказала Май Тхань Тай.

На F3DB разработчиками был получен предварительный патент. Следующим этапом испытаний устройства станут проверки его работы на живых животных. Кроме того, ученые намерены снабдить его дополнительными возможностями, добавив встроенную камеру и систему сканирования в реальном времени для проведения трехмерной томографии движущихся тканей внутри тела.