Создан робот, способный печатать новые ткани внутри организма.

Создан робот, способный печатать новые ткани внутри организма.

В конце февраля 2023 года ученые из Университета Нового Южного Уэльса разработали миниатюрную и гибкую мягкую роботизированную руку F3DB, которая может быть использована для 3D-печати биоматериалов непосредственно на органах внутри тела человека.

   Новое исследование ученых Лаборатория медицинской робототехники UNSW во главе с Доктором Тхань Нхо До (Dr Thanh Nho Do) и его аспирантом, Май Тхань Тай (Mai Thanh Thai), в сотрудничестве с другими исследователями из UNSW, подробно описано в статье, опубликованной в журнале Передовая наука (Advanced Science). 

Результатом их работы стал крошечный гибкий 3D-биопринтер, который можно вставлять в тело подобно эндоскопу и напрямую доставлять многослойные биоматериалы на поверхность внутренних органов и тканей.

Каждый год миллионы людей во всем мире страдают от повреждения тканей из-за болезней, травм, повреждений и, как следствие, операций. Для хирургических процедур швы, в основном, используются для ускорения заживления тканей. Однако неспособность закрыть рану или устранить дефекты в желудочно-кишечном тракте, кровеносных сосудах или других поверхностях органов может привести к неожиданным осложнениям, включая инфекции.

Для пациентов с сердечнососудистыми заболеваниями смерть миокарда (например, кардиомиоциты) могут нарушать сокращение сердечной мышцы, приводя к сердечной дисфункции и, в конечном итоге, к хронической сердечной недостаточности.

В последнее время технология 3D-биопечати с использованием биоматериалов, включающих живые клетки (бионики) и лекарственные препараты, стала отличным методом создания 3D-живых конструкций (например, пластыря на сердце или желудочно-кишечного тракта) для лечения различных состояний, таких как инфаркт миокарда. Методы 3D-биопечати также имеют потенциал для многих других биомедицинских применений, включая устранение дефектов желудочно-кишечного тракта без швов, восстановление или облегчение заживления поврежденных тканей и органов, доставку биомолекул и регенеративную медицину. В настоящее время 3D-живые конструкции создаются вне человеческого тела, где они либо инкубируются in vitro для созревания перед имплантацией, либо печатаются на 3D-принтере извне, а затем имплантируются in vivo с использованием больших операций в открытом поле. 

Технология трехмерной (3D) биопечати предлагает большой потенциал для лечения повреждений тканей и органов. Традиционные подходы обычно основаны на настольном биопринтере большого форм-фактора для создания живых 3D-конструкций in vitro перед их внедрением в тело пациента, что создает ряд недостатков, таких как несоответствие поверхности, повреждение структуры и высокая степень загрязнения, а также повреждение тканей из-за транспортировки и больших операций в открытом поле. Биопечать In situ (на месте) внутри живого тела является потенциально преодолевающим эти недостатки решением, поскольку тело служит отличным биореактором. В этой работе представлен многофункциональный и гибкий 3D-биопринтер in situ (F3DB), который оснащен мягкой печатающей головкой с высокой степенью свободы, встроенной в гибкую роботизированную руку для доставки многослойных биоматериалов во внутренние органы/ткани. Устройство имеет архитектуру master-slave и управляется моделью кинематической инверсии и контроллерами на основе машинного обучения. Возможности 3D-печати с различными рисунками, поверхностями и на макете толстой кишки также тестируются с использованием различных композитных гидрогелей и биоматериалов. Способность F3DB выполнять эндоскопические операции дополнительно продемонстрирована на свежей свиной ткани. Ожидается, что новая система устранит пробел в области биопечати in situ и поддержит будущее развитие современных эндоскопических хирургических роботов.

Новый, миниатюрный и гибкий 3D-биопринтер (F3DB) может напрямую доставлять многослойные биоматериалы на поверхности внутренних органов и тканей. Новая революционная технология включает печатающую головку с высокой степенью свободы (DOF) и мягкую роботизированную руку, которые установлены на длинном и гибком змееподобном теле. Устройство потенциально может получить доступ к ограниченным и труднодоступным участкам в живых телах через небольшие разрезы кожи или естественные отверстия человека (например, рот, задний проход). Ожидается, что новая F3DB-технология преодолеет несколько основных барьеров, существующих в существующих технологиях 3D-биопечати:

1) устраняется необходимость инкубации живых материалов в пробирке для созревания перед хирургической имплантацией;

2) устраняются несоответствия интерфейса между напечатанными биоматериалами и поверхностями-мишенями; и

3) обеспечивая небольшую площадь печатающего устройства. F3DB имеет схожую архитектуру с существующими гибкими хирургическими системами через конфигурацию ведущий-ведомый. 

 

Система F3DB разработана с архитектурой master-slave, в которой пользователь за главной консолью удаленно управляет ведомым манипулятором, состоящим из мягкой роботизированной руки и 3D печатающей головки. Ведомый манипулятор устанавливается непосредственно на длинный и гибкий катетер, который служит гибким корпусом принтера (рисунок 1a,b). Как только 3D-печатающая головка достигает целевого места, алгоритм автоматического управления, основанный на обратной кинематической модели, позволяет вызывать движение мягкой роботизированной руки и печатающего сопла в трех направлениях, где многослойные биоматериалы доставляются на поверхности внутренних органов или тканей в нескольких местах. Вся система приводится в действие гидравлическими искусственными мышцами с мягкими микротрубочками  и приводами из мягкой ткани (FBA). Главная консоль в основном включает в себя тактильный интерфейс (Geomatic Touch Haptic Systems, 3D Systems, США), который передает движение руки пользователя на корпус двигателя для дистанционного управления мягкой роботизированной рукой. Для мониторинга места печати с помощью видео в режиме реального времени мы использовали гибкую миниатюрную камеру с внешним диаметром 1,66 мм.

В то время как активная мягкая роботизированная рука обеспечивает всенаправленный изгиб для грубой навигации по интересующей области, сопло 3D-печатающей головки обеспечивает точные движения перед целевой поверхностью. Корпус двигателя дистанционно приводит в действие мягкие искусственные мышцы ведомого манипулятора с помощью линейных гидравлических блоков и трубок для передачи жидкости.

Печатающая 3D головка  может автоматически работать по заранее заданным траекториям, в то время как биоматериалы доставляются с помощью шприц-дозатора. Как только печатающая головка завершит первую задачу печати в одном месте, мягкая роботизированная рука будет направлена в другие места, и процесс печати возобновится, что позволит выполнять печать многосекторно (рисунок 1a). С помощью этой функции область печати может быть расширена, чтобы покрывать целые поверхности внутренних органов или тканей (например, толстой кишки, желудка, сердца и мочевого пузыря), что недостижимо для существующих устройств биопечати in vivo.

Стоит отметить, что система F3DB, включая ведомый манипулятор, является масштабируемой и, следовательно, может быть спроектирована и изготовлена в соответствии с конкретными потребностями биопечати.

Исследовательская группа продемонстрировала, как систему F3DB можно использовать различными способами, если разработать как универсальный эндоскопический хирургический инструмент.

Следующим этапом разработки системы, на которую был выдан предварительный патент, является тестирование in vivo на живых животных, чтобы продемонстрировать ее практическое использование.

Исследователи также планируют внедрить дополнительные функции, такие как встроенная камера и система сканирования в реальном времени, которая будет реконструировать 3D-томографию движущихся тканей внутри тела.

Александр Лисовский

Источник:  Advanced Science

 

Подписываться

Хотите быть в курсе всех новостей из мира биотехнологий, открытий в медицине и перспектив продления жизни и бессмертия?


https://t.me/kriorus_official