供稿人：張智航、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-01-01
生物3D打印技術(shù)和內(nèi)窺鏡機(jī)器人都是目前醫(yī)療領(lǐng)域非?；馃嵫芯糠较?。其中，生物3D打印技術(shù)已經(jīng)對(duì)醫(yī)療和制藥產(chǎn)生了革命性影響，未來有望用于制造或修復(fù)人體缺損組織與器官，即通過人體組織與器官3D打印技術(shù)有望為目前許多的不治之癥帶來希望。內(nèi)窺鏡手術(shù)機(jī)器人是未來內(nèi)科治療外科化的一種重要工具。利用內(nèi)窺鏡手術(shù)機(jī)器人，越來越多的消化道疾病通過經(jīng)口或者經(jīng)肛門進(jìn)行治療，不需要通過開腹或者開胸這樣大創(chuàng)傷外科手術(shù)治療。內(nèi)窺鏡軟體機(jī)器人有望改變這種局面，讓消化內(nèi)科醫(yī)像外科醫(yī)生一樣切除消化道病變組織，不用擔(dān)心出血、穿孔。
新南威爾士大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就開發(fā)出一款具有生物3D打印功能的內(nèi)窺鏡機(jī)器人---F3DB[1]，將生物3D打印技術(shù)和內(nèi)窺鏡機(jī)器人兩大熱門技術(shù)聯(lián)合在一起時(shí)候，形成了更具有想象力的內(nèi)窺鏡治療方法，如圖1所示。該技術(shù)具有高自由度打印頭和柔軟的機(jī)械臂，安裝在長(zhǎng)而靈活的蛇形身體上。該裝置可以通過小的皮膚切口或人類自然孔（例如，口腔，肛門）進(jìn)入生物體內(nèi)狹窄和難以到達(dá)的區(qū)域。新的F3DB有望克服現(xiàn)有3D生物打印技術(shù)的幾個(gè)主要障礙，通過i）消除在手術(shù)植入前對(duì)活材料進(jìn)行體外孵育以成熟的需求，ii）避免打印生物材料和目標(biāo)表面之間的界面不匹配，以及iii）提供較小的打印設(shè)備占地面積。
圖1 靈活的3D生物打印機(jī)（F3DB）系統(tǒng)。a） F3DB機(jī)器人的工作示意圖，可以在多個(gè)位置對(duì)內(nèi)部器官和組織（如腸、胃或心臟）的表面進(jìn)行原位生物打印。整個(gè)系統(tǒng)由柔軟的人造肌肉通過外部液壓源（電機(jī)外殼）驅(qū)動(dòng)，用戶通過主控制臺(tái)操縱打印頭。b） F3DB機(jī)器人原型，具有靈活的機(jī)構(gòu)、3D打印頭和機(jī)械臂。c）對(duì)新鮮豬腎的離體原位3D打印。d） 使用打印噴嘴作為電外科刀對(duì)新鮮豬結(jié)腸進(jìn)行組織解剖。
具有三個(gè)彎曲和伸展運(yùn)動(dòng)自由度的軟體機(jī)械臂是使用軟體液壓執(zhí)行器中的高級(jí)功能開發(fā)的，而具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的3D打印頭安裝在軟體機(jī)械臂上，形成一個(gè)完整的生物3D打印機(jī)。該設(shè)備使用柔軟的人造肌肉完全驅(qū)動(dòng)，并由運(yùn)動(dòng)學(xué)反轉(zhuǎn)模型、新的非線性滯后模型和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的控制器控制。F3DB 的工作空間、頻率響應(yīng)、耐久性和力生成都經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。F3DB進(jìn)行內(nèi)窺鏡手術(shù)的能力在新鮮豬組織中得到進(jìn)一步證明。新系統(tǒng)有望填補(bǔ)原位生物打印領(lǐng)域的空白，并支持先進(jìn)內(nèi)窺鏡手術(shù)機(jī)器人的未來發(fā)展。