物質(zhì)科學(xué)

Physical science

聲帶手術(shù)后，許多患者會出現(xiàn)聲帶僵硬情況，進(jìn)而影響言語功能。水凝膠可以通過加速愈合，預(yù)防此類并發(fā)癥，但是將其精準(zhǔn)遞送到聲帶是很困難的。2025年10月29日，Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Device發(fā)表題為“A continuum robotic bioprinter for in situ vocal fold repair”的一項研究，生物力學(xué)工程師與外科醫(yī)生團(tuán)隊開發(fā)出一款3D打印軟體機(jī)器人，能精準(zhǔn)將水凝膠送到聲帶手術(shù)部位，用于重建術(shù)中切除的組織。該設(shè)備打印噴頭尺寸僅2.7毫米，是迄今報道的最小生物打印機(jī)。

“我們的設(shè)備不僅注重精度和打印質(zhì)量，更兼顧外科醫(yī)生的操作便利性。其緊湊靈活的設(shè)計不僅適配標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)流程，還可在空間受限的手術(shù)環(huán)境中實現(xiàn)實時手動操控?！闭撐牡谝蛔髡?、加拿大麥吉爾大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Swen Groen表示。

由于聲帶囊腫、增生或癌變等原因，全球有3%至9%的人會在一生中出現(xiàn)發(fā)聲障礙。此類病變通常通過手術(shù)治療，但多數(shù)患者術(shù)后會出現(xiàn)組織纖維化，導(dǎo)致聲帶硬化、言語困難。為預(yù)防纖維化，外科醫(yī)生通常會將水凝膠注射至喉部組織，但此類注射難以實現(xiàn)水凝膠的精準(zhǔn)遞送。

為實現(xiàn)更精準(zhǔn)的水凝膠遞送，研究人員著手設(shè)計一種微型3D打印機(jī)，可以集成到手術(shù)過程中。此前雖已有針對結(jié)腸和肝臟的水凝膠生物打印設(shè)備，但其尺寸過大無法適用于聲帶手術(shù)——該手術(shù)需借助喉鏡經(jīng)患者口腔進(jìn)行操作。為適配此術(shù)式，打印噴頭必須足夠微型，既能置入患者喉部又不會遮擋外科醫(yī)生的手術(shù)視野。

“起初我認(rèn)為這根本不可行。要制造出尺寸小于3毫米的柔性機(jī)器人，這簡直是個不可能完成的挑戰(zhàn)?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺Ⅺ溂獱柎髮W(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Luc Mongeau表示。

該設(shè)備的設(shè)計靈感源于象鼻結(jié)構(gòu)。打印噴頭由柔性主干末端的噴嘴構(gòu)成，通過類肌腱線纜連接至可安裝在手術(shù)顯微鏡上的控制模塊。該設(shè)備支持實時手動控制，能以1.2毫米線寬遞送基于透明質(zhì)酸的水凝膠。研究人員對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行編程，確保在20毫米工作范圍內(nèi)實現(xiàn)精確、可重復(fù)的運(yùn)動。

為驗證打印噴頭精準(zhǔn)遞送水凝膠的能力，研究人員手動操控設(shè)備在平面繪制了二維螺旋、心形及字母等圖案。隨后，他們使用該設(shè)備向用于外科培訓(xùn)的模擬聲帶遞送水凝膠。針對模擬組織缺損的模型（包括病灶切除后的空腔及需全聲帶重建的缺損），該設(shè)備均能精準(zhǔn)重建聲帶幾何形態(tài)。

“這款設(shè)備的卓越之處在于，盡管它本質(zhì)上是根‘軟管’——但凡見過澆水軟管的人都知道，通水時軟管會失控亂甩——但該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)卻完全可預(yù)測?！闭撐暮现摺Ⅺ溂獱柎髮W(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Audrey Sedal指出。

目前該設(shè)備采用手動控制模式，但研究人員正在研發(fā)一種自動與手動控制相結(jié)合的系統(tǒng)。Mongeau表示：“我們正努力將這項技術(shù)應(yīng)用于臨床。下一步是在動物體內(nèi)測試這些水凝膠，從而為人體臨床試驗鋪平道路，以驗證生物打印機(jī)與水凝膠的精準(zhǔn)性、實用性和臨床效果?！?/span>

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論文原文刊載于Cell Press細(xì)胞出版社期刊Device，

▌?wù)撐臉?biāo)題：

A continuum robotic bioprinter for in situ vocal fold repair

▌?wù)撐木W(wǎng)址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998625002868

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.device.2025.100973