物質(zhì)科學(xué)

Physical science

聲帶手術(shù)后，許多患者會(huì)出現(xiàn)聲帶僵硬情況，進(jìn)而影響言語(yǔ)功能。水凝膠可以通過(guò)加速愈合，預(yù)防此類(lèi)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(xiàng)研究，生物力學(xué)工程師與外科醫(yī)生團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(bào)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(jì)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)手動(dòng)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(huì)在一生中出現(xiàn)發(fā)聲障礙。此類(lèi)病變通常通過(guò)手術(shù)治療，但多數(shù)患者術(shù)后會(huì)出現(xiàn)組織纖維化，導(dǎo)致聲帶硬化、言語(yǔ)困難。為預(yù)防纖維化，外科醫(yī)生通常會(huì)將水凝膠注射至喉部組織，但此類(lèi)注射難以實(shí)現(xiàn)水凝膠的精準(zhǔn)遞送。

為實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的水凝膠遞送，研究人員著手設(shè)計(jì)一種微型3D打印機(jī)，可以集成到手術(shù)過(guò)程中。此前雖已有針對(duì)結(jié)腸和肝臟的水凝膠生物打印設(shè)備，但其尺寸過(guò)大無(wú)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(huì)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(jiǎn)直是個(gè)不可能完成的挑戰(zhàn)?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、麥吉爾大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Luc Mongeau表示。

該設(shè)備的設(shè)計(jì)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(guò)類(lèi)肌腱線(xiàn)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(shí)時(shí)手動(dòng)控制，能以1.2毫米線(xiàn)寬遞送基于透明質(zhì)酸的水凝膠。研究人員對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行編程，確保在20毫米工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確、可重復(fù)的運(yùn)動(dòng)。

為驗(yàn)證打印噴頭精準(zhǔn)遞送水凝膠的能力，研究人員手動(dòng)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(duì)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(jiàn)過(guò)澆水軟管的人都知道，通水時(shí)軟管會(huì)失控亂甩——但該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)卻完全可預(yù)測(cè)。”論文合著者、麥吉爾大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Audrey Sedal指出。

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

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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