微型生物打印機體內直接3D打印，精準聲帶修復新器械

AM易道學術分享

在3D打印行業，尤其是生物制造領域，我們經常談到體內原位打印。

意思將打印頭伸入患者體內，在那些狹窄、深處、難以觸及的組織上直接沉積功能性材料。

這個思路是對增材制造技術在運動系統、材料科學和過程控制的系統創新。

近日，加拿大麥吉爾大學（McGill University）的團隊在《Device》期刊上發表的成果。

他們開發了一款微創原位生物3D打印機（MIISB），其核心是一個外徑僅為2.7毫米的連續體機器人打印頭。

這項工作的影響力遠不止于其目標應用聲帶修復。

它展示了一套全新的3D打印硬件、軟件和工作流，專為在人體內部這種非結構化且動態的構建環境中作業而設計。

AM易道對于該文章的許多理解和表達已脫離原文章的原始技術表述，有大量原創主觀的解讀創作成分，如需要了解更多原始硬核技術內容，請自行閱讀原文。

對于任何3D打印系統，運動平臺的精度和自由度決定了一切。

但如果你要把整個系統縮小到能穿過一根吸管，傳統的笛卡爾、Delta或SCARA架構都將失效。

麥吉爾團隊的解決方案是連續體機器人（Continuum Robot）。

2.7毫米的柔性打印頭其設計靈感（據報道）來自大象的鼻子，它拋棄了所有剛性關節。

其內部結構：由一系列剛性穿孔圓盤和柔性薄壁構成，三根驅動纜線和一個中心擠出通道貫穿其中。

這三根纜線就是它的馬達。

通過后端的步進電機和線鼓拉動不同的纜線，施加不對稱的張力，就能讓柔性臂向任意方向彎曲變形。

這是一個高度集成的、由纜線驅動的軟體機器人執行器。

2.7毫米的直徑，是嚴格基于臨床需求倒推出來的。

在聲帶手術中，醫生必須通過一個直徑約10.5至13.5毫米的懸吊喉鏡進行操作。

現有的其他微創打印機（如11.5毫米的設計）一放進去，就會徹底擋住醫生的關鍵視野。

2.7毫米的設計，可以像一根普通的手術器械一樣，與喉鏡和顯微鏡協同工作，互不干擾。

這解決了體內原位打印的首要門檻：工作流兼容性。

運動系統，數據驅動的實時運動

有了硬件，如何控制它？

這才是軟體機器人打印的難點。

為一個柔性、非線性的連續體手臂建立一個精確的、基于物理學的實時模型是極其復雜的。

麥吉爾團隊選擇了一條更務實、更高效的路徑：

數據驅動的運動學模型。

他們沒有去解復雜的偏微分方程，而是通過大量實驗測量，擬合出了纜線拉伸量（輸入）與噴嘴末端三維坐標（輸出）之間的經驗關系。

這種方法大幅降低了計算復雜度，使其能夠在普通PC上實時運行。

這套系統還有一個非常精妙的設計：

一個由線性步進電機驅動的線性平臺。

這個平臺有兩個作用：

一是充當打印頭的Z軸，負責整體的軸向進給。

二是充當運動補償器。

當連續體手臂彎曲時，其尖端在軸向（Z軸）上會不可避免地向后回縮。

這個線性平臺會實時計算這個回縮量，并主動向前補償，確保噴嘴尖端始終保持在一個平面上運動。

這個補償功能至關重要。

它將一個復雜的三維空間運動問題，降維成了外科醫生眼中直觀的二維繪畫問題，極大地降低了操作門檻。

過程控制，為什么手動擋優于自動擋

關于控制界面，團隊目前的選擇是讓外科醫生通過一個游戲手柄式的無線控制器進行手動實時控制。

論文卻明確指出，相比于完全自動化，手動是現階段的最優解。

3D打印依賴于基于CAD模型生成的固定G-code路徑。

但在手術中，構建環境是活的。

術前的掃描數據（CAD）和術中切除病灶后的實際缺損（真實工件）之間存在幾何錯配。

病人的微小移動、組織形變，都會讓預設路徑瞬間失效。

此時，依賴外科醫生人眼-大腦這個強大閉環的手動控制，反而提供了最高的可靠性和靈活性。

醫生可以根據實時反饋，動態調整打印路徑和沉積量。

這種醫學手動打印的模式需求，讓我們覺得曾經那臺手動3D打印機的教育意義又升華了。

在20毫米的工作范圍內（與聲帶尺寸匹配），這套系統的平均定位誤差達到了1.33毫米，重復性誤差小于0.25毫米。

對于重建聲帶溝和病灶空腔等毫米級的缺陷，這個精度已足夠。

材料與擠出：高難度生物墨水的流變學挑戰

在材料端，團隊使用的是他們自己開發的多巴胺接枝透明質酸/絲素蛋白（DAHA/SF）水凝膠。

這是一種具有高生物相容性和組織粘附性的生物墨水。

擠出系統采用的是氣動（加壓注射器和電磁閥）。

挑戰在于這種生物墨水的流變特性。

它具有剪切稀化（Shear-thinning）特性，這有利于擠出。

但它同時具有顯著的時間依賴性。

這意味著其粘度在交聯過程中是不斷變化的。

團隊發現，為了獲得穩定的擠出壓力和一致的線條寬度，他們必須在混合交聯劑后，等待40分鐘，讓材料的流變特性進入一個穩定期后，才能開始打印。

這是一個非常關鍵的工藝參數。

在優化后的工藝參數下（262kPa壓力，2mm/s打印速度），系統實現了1.2毫米的穩定打印線寬。

一個體內3D打印平臺的誕生

這個文章的成果不是一個用于體外制造或體表修復的工具，而是一個可以深入人體的腔內3D打印平臺。

聲帶修復只是它的第一個應用場景。

我們可以延展：通過胃鏡修復胃潰瘍、通過關節鏡打印軟骨缺損、通過鼻內窺鏡進行顱底修復……

當然，這項技術仍處于早期階段。

團隊坦言，當前的低剛度設計雖然安全（不會戳傷組織），但也導致了系統對振動較為敏感。

未來的迭代方向將是在保證安全的前提下，優化材料和結構，實現剛度的主動可調。

從exvivo（離體）模型走向invivo（活體）動物實驗，將是他們下一步的關鍵。

我們看來，本文不是一個簡單的醫療器械創新，更像是是一個集微型軟體機器人、數據驅動運動學和生物材料過程控制于一體的、高度集成的增材制造系統。

它為3D打印這門技術，在人體內部這個最復雜、最嚴苛的構建環境中實現原位制造，找到了一個合適的立足點。

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