Эндоскопический биопринтер с коагулятором удалит опухоль и напечатает живую заплатку

Австралийские инженеры разработали роботизированную систему для эндоскопической хирургии с 3D-биопринтером. Он позволяет печатать тканевые конструкты с живыми клетками непосредственно в месте повреждения органа или ткани. Отчет о работе опубликован в журнале Advanced Science.

3D-биопечать использует в качестве материала живые клетки, погруженные в гидрогель или раствор биополимеров (биочернила), и дает на выходе функциональные конструкты, напоминающие ткани организма. Это перспективное направление, которое в настоящее время используется в основном в научных целях и для предварительных испытаний потенциальных лекарств. Его применение для лечения пациентов сильно затруднено тем, что тканевую заплатку необходимо напечатать на стационарном 3D-принтере, а затем хирургически имплантировать в нужный орган. Такой процесс несет в себе большие риски, связанные с повреждением и инфицированием тканевого конструкта во время изготовления и переноса, возможным несовпадением его конфигурации с дефектом органа, а также проведением полномасштабной операции.

Чтобы исключить эти риски, Тхань Нё До (Thanh Nho Do) с коллегами по Университету Нового Южного Уэльса предложили изменить подход и печатать слои биочернил прямо на искомом органе с высокой степенью свободы. В качестве подтверждения концепции они создали устройство-демонстратор, названное F3DB (от flexible in situ 3D bioprinter, гибкий 3D-биопринтер для печати на месте). Оно состоит из консоли управления с гаптическим интерфейсом, к которой подключается гибкое тело инструмента, на конце которого находится роботизированная рука с мягкими гидравлическими актуаторами (три степени свободы по удлинению и изгибу). На руке закреплена головка для 3D-биопечати (три степени свободы по плоскостям перемещения), которую можно использовать также для инъекций и омывания поверхностей, и к которой можно присоединить коагулятор (электроскальпель). Составляющие модули объединены функционально в конфигурации «ведущий-ведомый», в контроллере сопла принтера используются алгоритмы машинного обучения. Визуализацию обеспечивает гибкая камера наружным диаметром 1,66 миллиметра.

Подобная конструкция допускает практически любую длину инструмента для прохождения сложных маршрутов в организме (например, по желудочно-кишечному тракту), масштабирование рабочей насадки (авторы работы изготовили две — наружным диаметром 11,5 и 20 миллиметров) и печать разными биочернилами в нескольких местах за один сеанс.

Для начала исследователи опробовали F3DB, напечатав различные фигуры и их сочетания, однослойные и многослойные, с разными способами заливки, на гладкой поверхности, свежей свиной почке и учебной модели толстой кишки. В качестве материалов для печати использовали жидкий шоколад и гелевый композит из катионных полимеров, силиконов, алкоголя и оливкового масла.

Чтобы проверить, как устройство действует на живые клетки, в чашке Петри напечатали плоскую фигуру коммерческими биочернилами X-Pure GelDAT, содержащими в миллилитре 1,4 миллиона мышиных фибробластов линии L929. Жизнеспособность клеток в конструкте мониторировали с помощью индикатора метаболической активности резазурина (аламаровый синий) и флуоресцентных меток. Практически все клетки нормально перенесли процесс печати, через неделю их количество в конструкте возросло четырехкратно.

В заключение исследователи смоделировали эндоскопическое подслизистое иссечение опухоли — малоинвазивную операцию, хорошо зарекомендовавшую себя при раке толстой и прямой кишки. При ней опухоль слизистой оболочки маркируют, инъекцией изотонического раствора соли отделяют этот участок слизистой оболочки от подслизистого слоя, отсекают новообразование по периметру и удаляют его, после чего закрывают дефект. В имеющемся виде для каждого этапа этого вмешательства требуются отдельные инструменты. В эксперименте на свежем образце свиной кишки F3DB позволил выполнить всю операцию от начала до конца.

Авторы работы рассчитывают, что созданная ими система поможет заполнить имеющийся пробел в области биопечати «на месте» и поспособствует дальнейшей разработке высокотехнологичных роботов для эндоскопической хирургии.

В 2020 году свой вариант эндоскопического биопринтера показали китайские исследователи. В нем использованы складные механические актуаторы, из-за чего диаметр устройства составляет три сантиметра. В том же году ученые из Бельгии, Китая и США представили 3D-биопринтер, который вводит жидкую заготовку под кожу и полимеризует ее с помощью инфракрасного излучения. В качестве демонстрации метода авторы работы напечатали под кожей живой мыши структуру в форме уха.