Nature 子刊：用于微创生物打印的铁磁软导管机器人

来源： EngineeringForLife

体内生物打印最近已成为一种直接制造技术，可在体内目标部位创建人造组织和医疗设备，从而实现先进的临床策略。然而，现有的体内生物打印方法通常仅限于皮肤附近的应用，或者需要开放手术才能在内部器官上进行打印。最近，华中科技大学的Jianfeng Zang团队联合中国科学技术大学的Liu Wang团队报告了一种铁磁软导管机器人 (FSCR) 系统，该系统能够基于磁驱动以微创方式进行原位计算机控制的生物打印。FSCR 的设计原理是将铁磁颗粒分散在纤维增强聚合物基体中，再利用叠加磁场驱动实现高精度数字控制打印。该团队展示了在平面上打印多个图案，以及开发了曲面的原位打印策略，并在大鼠模型中展示了水凝胶的微创体内生物打印结果。相关研究论文：Ferromagnetic soft catheter robots for minimally invasive bioprinting发表于Nature Communications杂志上。

1. 工作原理
FSCR系统的工作原理如图1所示，FSCR系统通过远程磁驱动使细长棒状结构的软喷嘴到达体内指定位置（图1a），并实现原位打印功能性墨水（如损伤愈合药膏和电极凝胶等）。其中软喷嘴中设计有一层增强纤维网（图1c），增强了墨水挤出的稳定性，可以实现对有机硅、银浆、导电水凝胶等多种功能性墨水的挤出。磁场由四个数控电机驱动的永磁体施加（图1d），从而实现FSCR的平移和旋转运动。和具有刚性喷头的系统相比，FSCR可以在通过更小的切口在体内空间进行打印（图1b）。

图1 (a)通过小切口在人体内使用功能性墨水（例如导电聚合物和生物材料）进行微创打印的示意图；在放大的面板中，B代表磁场。(b)传统的需要在大切口上使用刚性喷头进行打印的系统示意图。（c） FSCR 的示意图，由软聚合物基体和分散的硬磁颗粒和聚乳酸 (PLA) 增强网组成。磁极沿 FSCR 轴向编程。(d) FSCR 的数控策略，其中操作由数字数据指示。通过四个永磁体的旋转和平移来操纵 FSCR

2. FSCR的设计和制造
首先FSCR的主体使用注射成型方法制造。以管状模具作为外模板，钢芯线置于中心作为内模板，聚乳酸 (PLA) 纤维网插入模具内用以提升FSCR的机械性能。然后将未固化的聚合物树脂（聚二甲基硅氧烷，PDMS）与均匀分散的硬磁微粒（钕铁硼，NdFeB）混合制成的铁磁复合油墨注入管状模具中。待完全固化后，移除外模和内线，得到具有空心通道的FSCR主体（图2a）。最后再通过强脉冲磁场使主体中分散的NdFeB粒子沿轴向磁化。通过使用不同的模具，还可以制造不同尺寸的FSCR，该团队所能制作的FSCR最小内外径分别可达0.6mm和2mm，符合微创手术切口尺寸的标准。且固化NdFeB + PDMS 复合材料在毒性测试具有98.6%的细胞存活率，证明FSCR具有很高的生物相容性。

另外实验证明通过使用PLA网状增强结构，可以减小FSCR管制造时的横向膨胀率、提高打印分辨率和加快挤出速度（图2bcde）。同时该结构对磁控弯曲行为的影响不大（图2f），可以保持稳定的打印性能。

图2 (a)使用注射成型方法制造增强 FSCR 的过程。FSCRs的磁极性用M表示，被强脉冲磁场磁化至饱和后沿其轴向方向。右侧显示了各种直径 (4–7 mm) 和长度 (80–110 mm) 的 FSCR。(b)在施加压力下的 FSCR 中印刷油墨（橙色）挤出过程示意图（左）。L是机器人长度。d和D分别是油墨挤出前后印刷通道的直径。增强型和非增强型导管在240 kPa 的压力下的实验图片 ( L = 100 mm, d = 1 毫米，导管外径 4 毫米）。(c)增强型和非增强型导管在各种施加压力下的直径膨胀比D/d。(d)延迟时间作为增强和非增强导管的施加压力的函数。(e)在 240 kPa 压力下随时间测量的直径膨胀比D/d图。(f)在单个立方永磁体产生的不同磁场下 FSCR 弯曲的示意图（左）。非增强和增强导管的归一化偏转δ/L的实验测量值与归一化致动距离H/L作图（右）

3. 磁控打印系统的实现

图3 (a)磁控打印系统示意图。(b)XY和XZ平面的磁通密度等高线图。(c)永磁体移动控制FSCR在X方向平移，同时Z轴下移补偿高度损失。永磁体旋转控制FSCR在XY平面的旋转。(de)磁场控制FSCR平移和旋转的仿真。(fgh)磁场控制FSCR平移和旋转的仿真数据与实验数据对比

4. FSCR直接墨水打印的效果

图4 (a)FSCR打印粘弹性材料（PDMS-1700 和 Ecoflex 复合材料）的平面图案效果。(b)FSCR打印三维结构的效果。(c)FSCR打印导电银线，并通过交变磁场控制LED通断

图5 (a)在猪组织上打印的示意图。(b)猪组织曲面的 3D 扫描和重建。(c)在重建表面上设计 3D 螺旋打印路径。颜色代表高度大小。(d)不同时间在猪组织上进行导电水凝胶微创生物打印过程的照片

图6 (a)左：活鼠 CT 成像示意图；右图：人工气腹大鼠的 CT 图像；插图显示肝脏的轮廓。(b)重建大鼠肝脏的自然表面和所需的 3D 螺旋打印路径。(c)体内实验的实验装置的示意图和照片。颜色代表高度大小。(d)左：不同时间在肝脏表面使用导电水凝胶进行微创生物打印过程的照片；右：大鼠肝脏表面印刷图案照片

该团队开发的FSCR系统可以使用多种不同功能的墨水通过小尺寸创口在各种曲面上进行打印操作，与传统打印方式相比具有明显优势。虽然该打印技术目前处于起步阶段，在打印速度、分辨率和打印图案的复杂性等方面存在局限性。但该技术可以通过升级为6磁极系统提升控制自由度；通过使用术中CT等实时扫描工具建立闭环反馈实现更高的打印质量；通过改进材料的生物相容性、粘附性、固化时间等方法可以拓宽该技术的适用范围和前景，为外科微创手术提供新的可能。

参考文献

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