Nature 子刊：用于微創(chuàng)生物打印的鐵磁軟導管機器人

來源： EngineeringForLife

體內(nèi)生物打印最近已成為一種直接制造技術，可在體內(nèi)目標部位創(chuàng)建人造組織和醫(yī)療設備，從而實現(xiàn)先進的臨床策略。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用，或者需要開放手術才能在內(nèi)部器官上進行打印。最近，華中科技大學的Jianfeng Zang團隊聯(lián)合中國科學技術大學的Liu Wang團隊報告了一種鐵磁軟導管機器人 (FSCR) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠基于磁驅動以微創(chuàng)方式進行原位計算機控制的生物打印。FSCR 的設計原理是將鐵磁顆粒分散在纖維增強聚合物基體中，再利用疊加磁場驅動實現(xiàn)高精度數(shù)字控制打印。該團隊展示了在平面上打印多個圖案，以及開發(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)生物打印結果。相關研究論文：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)通過遠程磁驅動使細長棒狀結構的軟噴嘴到達體內(nèi)指定位置（圖1a），并實現(xiàn)原位打印功能性墨水（如損傷愈合藥膏和電極凝膠等）。其中軟噴嘴中設計有一層增強纖維網(wǎng)（圖1c），增強了墨水擠出的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)對有機硅、銀漿、導電水凝膠等多種功能性墨水的擠出。磁場由四個數(shù)控電機驅動的永磁體施加（圖1d），從而實現(xiàn)FSCR的平移和旋轉運動。和具有剛性噴頭的系統(tǒng)相比，F(xiàn)SCR可以在通過更小的切口在體內(nèi)空間進行打�。▓D1b）。

圖1 (a)通過小切口在人體內(nèi)使用功能性墨水（例如導電聚合物和生物材料）進行微創(chuàng)打印的示意圖；在放大的面板中，B代表磁場。(b)傳統(tǒng)的需要在大切口上使用剛性噴頭進行打印的系統(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)字數(shù)據(jù)指示。通過四個永磁體的旋轉和平移來操縱 FSCR

2. FSCR的設計和制造
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的機械性能。然后將未固化的聚合物樹脂（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）。最后再通過強脈沖磁場使主體中分散的NdFeB粒子沿軸向磁化。通過使用不同的模具，還可以制造不同尺寸的FSCR，該團隊所能制作的FSCR最小內(nèi)外徑分別可達0.6mm和2mm，符合微創(chuàng)手術切口尺寸的標準。且固化NdFeB + PDMS 復合材料在毒性測試具有98.6%的細胞存活率，證明FSCR具有很高的生物相容性。

另外實驗證明通過使用PLA網(wǎng)狀增強結構，可以減小FSCR管制造時的橫向膨脹率、提高打印分辨率和加快擠出速度（圖2bcde）。同時該結構對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 FSCR 的過程。FSCRs的磁極性用M表示，被強脈沖磁場磁化至飽和后沿其軸向方向。右側顯示了各種直徑 (4–7 mm) 和長度 (80–110 mm) 的 FSCR。(b)在施加壓力下的 FSCR 中印刷油墨（橙色）擠出過程示意圖（左）。L是機器人長度。d和D分別是油墨擠出前后印刷通道的直徑。增強型和非增強型導管在240 kPa 的壓力下的實驗圖片 ( L = 100 mm, d = 1 毫米，導管外徑 4 毫米）。(c)增強型和非增強型導管在各種施加壓力下的直徑膨脹比D/d。(d)延遲時間作為增強和非增強導管的施加壓力的函數(shù)。(e)在 240 kPa 壓力下隨時間測量的直徑膨脹比D/d圖。(f)在單個立方永磁體產(chǎn)生的不同磁場下 FSCR 彎曲的示意圖（左）。非增強和增強導管的歸一化偏轉δ/L的實驗測量值與歸一化致動距離H/L作圖（右）

3. 磁控打印系統(tǒng)的實現(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)永磁體移動控制FSCR在X方向平移，同時Z軸下移補償高度損失。永磁體旋轉控制FSCR在XY平面的旋轉。(de)磁場控制FSCR平移和旋轉的仿真。(fgh)磁場控制FSCR平移和旋轉的仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比

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 復合材料）的平面圖案效果。(b)FSCR打印三維結構的效果。(c)FSCR打印導電銀線，并通過交變磁場控制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)在重建表面上設計 3D 螺旋打印路徑。顏色代表高度大小。(d)不同時間在豬組織上進行導電水凝膠微創(chuàng)生物打印過程的照片

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)實驗的實驗裝置的示意圖和照片。顏色代表高度大小。(d)左：不同時間在肝臟表面使用導電水凝膠進行微創(chuàng)生物打印過程的照片；右：大鼠肝臟表面印刷圖案照片

該團隊開發(fā)的FSCR系統(tǒng)可以使用多種不同功能的墨水通過小尺寸創(chuàng)口在各種曲面上進行打印操作，與傳統(tǒng)打印方式相比具有明顯優(yōu)勢。雖然該打印技術目前處于起步階段，在打印速度、分辨率和打印圖案的復雜性等方面存在局限性。但該技術可以通過升級為6磁極系統(tǒng)提升控制自由度；通過使用術中CT等實時掃描工具建立閉環(huán)反饋實現(xiàn)更高的打印質量；通過改進材料的生物相容性、粘附性、固化時間等方法可以拓寬該技術的適用范圍和前景，為外科微創(chuàng)手術提供新的可能。

參考文獻

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