Nature 子刊：用于微創(chuàng)生物打印的鐵磁軟導(dǎo)管機(jī)器人

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體內(nèi)生物打印最近已成為一種直接制造技術(shù)，可在體內(nèi)目標(biāo)部位創(chuàng)建人造組織和醫(yī)療設(shè)備,，從而實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的臨床策略,。然而,，現(xiàn)有的體內(nèi)生物打印方法通常僅限于皮膚附近的應(yīng)用,，或者需要開(kāi)放手術(shù)才能在內(nèi)部器官上進(jìn)行打印。最近,，華中科技大學(xué)的Jianfeng Zang團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Liu Wang團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種鐵磁軟導(dǎo)管機(jī)器人 (FSCR) 系統(tǒng),，該系統(tǒng)能夠基于磁驅(qū)動(dòng)以微創(chuàng)方式進(jìn)行原位計(jì)算機(jī)控制的生物打印。FSCR 的設(shè)計(jì)原理是將鐵磁顆粒分散在纖維增強(qiáng)聚合物基體中,，再利用疊加磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字控制打印,。該團(tuán)隊(duì)展示了在平面上打印多個(gè)圖案，以及開(kāi)發(fā)了曲面的原位打印策略,，并在大鼠模型中展示了水凝膠的微創(chuàng)體內(nèi)生物打印結(jié)果,。相關(guān)研究論文：Ferromagnetic soft catheter robots for minimally invasive bioprinting發(fā)表于Nature Communications雜志上,。

1. 工作原理
FSCR系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，F(xiàn)SCR系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程磁驅(qū)動(dòng)使細(xì)長(zhǎng)棒狀結(jié)構(gòu)的軟噴嘴到達(dá)體內(nèi)指定位置（圖1a）,，并實(shí)現(xiàn)原位打印功能性墨水（如損傷愈合藥膏和電極凝膠等）,。其中軟噴嘴中設(shè)計(jì)有一層增強(qiáng)纖維網(wǎng)（圖1c）,，增強(qiáng)了墨水?dāng)D出的穩(wěn)定性,，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)硅、銀漿,、導(dǎo)電水凝膠等多種功能性墨水的擠出,。磁場(chǎng)由四個(gè)數(shù)控電機(jī)驅(qū)動(dòng)的永磁體施加（圖1d），從而實(shí)現(xiàn)FSCR的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),。和具有剛性噴頭的系統(tǒng)相比,，F(xiàn)SCR可以在通過(guò)更小的切口在體內(nèi)空間進(jìn)行打印（圖1b）,。

圖1 (a)通過(guò)小切口在人體內(nèi)使用功能性墨水（例如導(dǎo)電聚合物和生物材料）進(jìn)行微創(chuàng)打印的示意圖,；在放大的面板中，B代表磁場(chǎng),。(b)傳統(tǒng)的需要在大切口上使用剛性噴頭進(jìn)行打印的系統(tǒng)示意圖,。（c） FSCR 的示意圖，由軟聚合物基體和分散的硬磁顆粒和聚乳酸 (PLA) 增強(qiáng)網(wǎng)組成,。磁極沿 FSCR 軸向編程。(d) FSCR 的數(shù)控策略，其中操作由數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)指示,。通過(guò)四個(gè)永磁體的旋轉(zhuǎn)和平移來(lái)操縱 FSCR

2. FSCR的設(shè)計(jì)和制造
首先FSCR的主體使用注射成型方法制造,。以管狀模具作為外模板，鋼芯線置于中心作為內(nèi)模板,，聚乳酸 (PLA) 纖維網(wǎng)插入模具內(nèi)用以提升FSCR的機(jī)械性能,。然后將未固化的聚合物樹(shù)脂（聚二甲基硅氧烷，PDMS）與均勻分散的硬磁微粒（釹鐵硼,，NdFeB）混合制成的鐵磁復(fù)合油墨注入管狀模具中,。待完全固化后，移除外模和內(nèi)線,，得到具有空心通道的FSCR主體（圖2a）,。最后再通過(guò)強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)使主體中分散的NdFeB粒子沿軸向磁化。通過(guò)使用不同的模具,，還可以制造不同尺寸的FSCR,，該團(tuán)隊(duì)所能制作的FSCR最小內(nèi)外徑分別可達(dá)0.6mm和2mm，符合微創(chuàng)手術(shù)切口尺寸的標(biāo)準(zhǔn),。且固化NdFeB + PDMS 復(fù)合材料在毒性測(cè)試具有98.6%的細(xì)胞存活率,，證明FSCR具有很高的生物相容性,。

另外實(shí)驗(yàn)證明通過(guò)使用PLA網(wǎng)狀增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，可以減小FSCR管制造時(shí)的橫向膨脹率,、提高打印分辨率和加快擠出速度（圖2bcde）,。同時(shí)該結(jié)構(gòu)對(duì)磁控彎曲行為的影響不大（圖2f），可以保持穩(wěn)定的打印性能,。

圖2 (a)使用注射成型方法制造增強(qiáng) FSCR 的過(guò)程,。FSCRs的磁極性用M表示，被強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)磁化至飽和后沿其軸向方向,。右側(cè)顯示了各種直徑 (4–7 mm) 和長(zhǎng)度 (80–110 mm) 的 FSCR,。(b)在施加壓力下的 FSCR 中印刷油墨（橙色）擠出過(guò)程示意圖（左）。L是機(jī)器人長(zhǎng)度,。d和D分別是油墨擠出前后印刷通道的直徑,。增強(qiáng)型和非增強(qiáng)型導(dǎo)管在240 kPa 的壓力下的實(shí)驗(yàn)圖片 ( L = 100 mm, d = 1 毫米，導(dǎo)管外徑 4 毫米）,。(c)增強(qiáng)型和非增強(qiáng)型導(dǎo)管在各種施加壓力下的直徑膨脹比D/d,。(d)延遲時(shí)間作為增強(qiáng)和非增強(qiáng)導(dǎo)管的施加壓力的函數(shù)。(e)在 240 kPa 壓力下隨時(shí)間測(cè)量的直徑膨脹比D/d圖,。(f)在單個(gè)立方永磁體產(chǎn)生的不同磁場(chǎng)下 FSCR 彎曲的示意圖（左）,。非增強(qiáng)和增強(qiáng)導(dǎo)管的歸一化偏轉(zhuǎn)δ/L的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與歸一化致動(dòng)距離H/L作圖（右）

3. 磁控打印系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖3 (a)磁控打印系統(tǒng)示意圖。(b)XY和XZ平面的磁通密度等高線圖,。(c)永磁體移動(dòng)控制FSCR在X方向平移,，同時(shí)Z軸下移補(bǔ)償高度損失。永磁體旋轉(zhuǎn)控制FSCR在XY平面的旋轉(zhuǎn),。(de)磁場(chǎng)控制FSCR平移和旋轉(zhuǎn)的仿真,。(fgh)磁場(chǎng)控制FSCR平移和旋轉(zhuǎn)的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4. FSCR直接墨水打印的效果

圖4 (a)FSCR打印粘彈性材料（PDMS-1700 和 Ecoflex 復(fù)合材料）的平面圖案效果。(b)FSCR打印三維結(jié)構(gòu)的效果,。(c)FSCR打印導(dǎo)電銀線,，并通過(guò)交變磁場(chǎng)控制LED通斷

圖5 (a)在豬組織上打印的示意圖。(b)豬組織曲面的 3D 掃描和重建,。(c)在重建表面上設(shè)計(jì) 3D 螺旋打印路徑,。顏色代表高度大小。(d)不同時(shí)間在豬組織上進(jìn)行導(dǎo)電水凝膠微創(chuàng)生物打印過(guò)程的照片

圖6 (a)左：活鼠 CT 成像示意圖,；右圖：人工氣腹大鼠的 CT 圖像,；插圖顯示肝臟的輪廓。(b)重建大鼠肝臟的自然表面和所需的 3D 螺旋打印路徑,。(c)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖和照片,。顏色代表高度大小。(d)左：不同時(shí)間在肝臟表面使用導(dǎo)電水凝膠進(jìn)行微創(chuàng)生物打印過(guò)程的照片,；右：大鼠肝臟表面印刷圖案照片

該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的FSCR系統(tǒng)可以使用多種不同功能的墨水通過(guò)小尺寸創(chuàng)口在各種曲面上進(jìn)行打印操作,，與傳統(tǒng)打印方式相比具有明顯優(yōu)勢(shì),。雖然該打印技術(shù)目前處于起步階段，在打印速度,、分辨率和打印圖案的復(fù)雜性等方面存在局限性,。但該技術(shù)可以通過(guò)升級(jí)為6磁極系統(tǒng)提升控制自由度；通過(guò)使用術(shù)中CT等實(shí)時(shí)掃描工具建立閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)更高的打印質(zhì)量,；通過(guò)改進(jìn)材料的生物相容性,、粘附性、固化時(shí)間等方法可以拓寬該技術(shù)的適用范圍和前景,，為外科微創(chuàng)手術(shù)提供新的可能,。

參考文獻(xiàn)

Zhou, C., Yang, Y., Wang, J. et al. Ferromagnetic soft catheter robots for minimally invasive bioprinting. Nat Commun 12, 5072 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25386-w