3D-биопринтер печатает ткани на месте

Биопечать — это использование методов 3D-печати для изготовления тканей из биоматериалов. В основном его используют для создания человеческих тканей для исследований и тестирования лекарств in vitro. При использовании для создания части тела, предназначенной для имплантации пациенту, эту часть необходимо сначала распечатать на настольном биопринтере, а затем для ее размещения обычно требуется большая операция в открытом поле. Помимо риска заражения и длительного времени восстановления, возможно несоответствие между напечатанной частью и внутренней целевой тканью, к которой она прикреплена, а также проблемы, возникающие из-за загрязнения и обращения.

Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее (Австралия) разработали миниатюрную мягкую роботизированную руку и гибкую печатающую головку и интегрировали их в длинный трубчатый катетер, составляющий гибкий корпус принтера. И рука, и печатающая головка имеют три степени свободы (DoF).

«Наш гибкий 3D-биопринтер, получивший обозначение F3DB, может напрямую доставлять биоматериалы в целевые ткани или органы с помощью минимально инвазивного подхода», — говорит Тхань Нхо До, старший преподаватель Высшей школы биомедицинской инженерии UNSW, который вместе со своим доктором философии. Студентка Май Тхань Тай возглавила исследовательскую группу.

F3DB не только обладает потенциалом для прямой реконструкции поврежденных частей тела, но и «может также использоваться как универсальный эндоскопический хирургический инструмент, в котором насадка выполняет роль хирургического ножа», — добавляет До. «Это позволит избежать необходимости использования различных инструментов для очистки, маркировки и разрезов, которые сейчас используются в более длительных процедурах, таких как удаление опухоли».

Прототип гибкого 3D-биопринтера также может служить универсальным эндоскопическим хирургическим инструментом. Источник: UNSW Sydneyyoutu.be

Хотя биопечать in situ исследовалась в течение последнего десятилетия, «биопечать на внутренних органах была ограничена из-за различных трудностей», — говорит Ибрагим Озболат, профессор инженерных наук и механики Университета штата Пенсильвания, комментируя детали исследования, опубликованные в февральском журнале. Передовая наука. «Это мобильное универсальное эндоскопическое устройство для биопечати является новым», — говорит он, и может «усовершенствовать существующие методы, позволяя проводить наблюдения в реальном времени, делать разрезы и биопечать на внутренних органах».

Устройство имеет диаметр, аналогичный диаметру эндоскопа (около 11–13 миллиметров), и достаточно малое, чтобы его можно было вставить в тело через рот или задний проход. Мягкая роботизированная рука приводится в действие тремя приводами с мягкими тканевым сильфоном, регулируемыми гидравлической системой, состоящей из шприцев с приводом от двигателей постоянного тока, которые перекачивают воду к приводам. Гибкая печатающая головка, состоящая из мягких гидравлических искусственных мышц, позволяет печатному соплу двигаться в трех направлениях, как у обычного настольного 3D-принтера. Общий контроль осуществляется с помощью системы «главный-подчиненный», которая использует коммерческую тактильную систему для передачи движений рук ведущего устройства.

При достижении цели рука и печатающая головка управляются автоматическим алгоритмом, основанным на обратной кинематике — математическом процессе, определяющем движения, необходимые для доставки биоматериалов на поверхность внутреннего органа или ткани. Печать контролируется прикрепленной гибкой миниатюрной камерой.

Чтобы протестировать устройство, исследователи сначала использовали различные небиоматериалы, такие как жидкий силикон и шоколад, для печати различных многослойных 3D-моделей в лаборатории. В дальнейших экспериментах они напечатали различные фигуры из неживых материалов на поверхности свиной почки. Позже исследователи напечатали живые биоматериалы in situ на стеклянной поверхности внутри искусственной толстой кишки.

«Мы видели, как клетки росли каждый день и увеличивались в четыре раза на седьмой день, в последний день эксперимента», — говорит До.

Чтобы протестировать устройство как универсальный инструмент для эндоскопической хирургии, исследователи выполнили различные функции, такие как промывание, маркировка и рассечение кишечника свиньи. «Результаты показывают, что F3DB имеет большой потенциал для превращения в универсальный эндоскопический инструмент для эндоскопических процедур рассечения подслизистой оболочки», — говорит До.