Группа инженеров-биомехаников и хирургов из Университета Макгилла разработала мягкого 3D-робота, способного точно доставлять гидрогели к месту операции на голосовых связках для реконструкции тканей, удалённых во время операции. Размер печатающей головки робота составляет всего 2,7 мм — это самый маленький из известных на сегодняшний день биопринтеров. Исследование опубликовано в журнале Device издательства Cell Press .

«Наше устройство разработано не только для точности и качества печати, но и для удобства использования хирургом», — сказал первый автор, биомедицинский инженер Свен Гроен из Университета Макгилла. «Его компактная и гибкая конструкция интегрируется со стандартными хирургическими рабочими процессами и обеспечивает ручное управление в режиме реального времени в ограниченном рабочем пространстве».

По данным Cell Press, от 3% до 9% людей в течение жизни сталкиваются с нарушениями голоса из-за кист, новообразований или рака голосовых связок. Эти новообразования обычно удаляются хирургическим путем, но у многих пациентов после операции развивается фиброз, который приводит к скованности голосовых связок и затрудняет речь. Для предотвращения фиброза хирурги обычно вводят гидрогели в ткани горла, однако точное введение гидрогелей с помощью инъекций затруднительно.

Чтобы обеспечить более точную доставку гидрогеля, исследователи приступили к разработке миниатюрного 3D-принтера, который можно было бы интегрировать в хирургическую процедуру. Аналогичные устройства для биопечати уже разработаны для доставки гидрогеля в толстую кишку и печень , но они слишком велики для использования во время операции на голосовых связках, которая проводится через открытый рот пациента с помощью ларингоскопа. Для совместимости с хирургической процедурой печатающая головка должна быть достаточно маленькой, чтобы помещаться в горло пациента, не заслоняя хирургу обзор голосовых связок.

«Сначала я думал, что это не осуществимо. Создание гибкого робота размером менее 3 мм казалось невыполнимой задачей», — сказал Люк Монжо, старший автор и биомедицинский инженер из Университета Макгилла.

Конструкция устройства вдохновлена ​​формой слоновьего хобота . Печатающая головка состоит из сопла на конце гибкого «хобота», соединенного с помощью кабелей, напоминающих сухожилия, с модулем управления, который можно установить на хирургический микроскоп. Устройством можно управлять вручную в режиме реального времени, и оно функционирует, нанося гидрогель на основе гиалуроновой кислоты линиями толщиной 1,2 мм. Исследователи запрограммировали его движения на точность, аккуратность и повторяемость в рабочем диапазоне 20 мм.

Чтобы продемонстрировать способность печатающей головки точно наносить гидрогели, исследователи вручную «рисовали» с её помощью фигуры, включая двумерные спирали, сердечки и буквы, на плоской поверхности. Затем они использовали устройство для нанесения гидрогелей на имитационные голосовые связки, используемые для обучения хирургов. Устройство смогло точно реконструировать геометрию голосовых складок в этих моделях, которые представляли собой дефекты тканей, включая полость, оставшуюся после удаления опухоли, и голосовую связку, требующую полной реконструкции.

«Одной из особенностей этого устройства, делающей его таким впечатляющим, является его предсказуемое поведение, хотя по сути это садовый шланг. А если вы когда-нибудь видели садовый шланг, то знаете, что, когда по нему пускают воду, он сходит с ума», — говорит соавтор Одри Седал, биомедицинский инженер из Университета Макгилла.

В настоящее время устройство управляется вручную, но исследователи работают над созданием системы, сочетающей автономное и ручное управление.

«Мы пытаемся внедрить это в клиническую практику», — сказал Монжо. «Следующий шаг — тестирование этих гидрогелей на животных , и, надеемся, это приведёт нас к клиническим испытаниям на людях, чтобы проверить точность, удобство использования и клинические результаты биопринтера и гидрогеля».

Данное исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения.

Источник