微型3D打印机可在手术过程中实时修复声带

打印头只有芝麻粒大小的生物打印机可以将水凝胶输送到手术部位。

大象鼻子和花园水管看起来很难让人联想到微型 3D 生物打印机的设计灵感。

然而，正是这些发现促使麦吉尔大学的科学家们设计出了迄今为止报道过的最小的生物打印头。该装置发表在《设备》（Devices）杂志上，其柔性尖端直径仅为2.7毫米——大约相当于一粒芝麻的长度。

生物打印机可以将多种修复材料直接沉积到损伤部位。一些生物墨水在实验室研究中显示出对抗感染的作用；另一些则能将化疗药物输送到癌变部位，从而预防肿瘤复发。在手术台上，术中注射的生物相容性水凝胶有助于伤口愈合。

这些设备很有前景，但大多数都比较笨重。它们难以触及身体的所有角落和缝隙——例如声带。

我们很容易把说话的能力视为理所当然，只有在重感冒后才会意识到失去说话能力的重要性。但实际上，高达9%的人一生中会患上声带疾病。吸烟、胃酸反流和慢性咳嗽都会撕裂声带的脆弱组织。异常增生和癌症也是导致声带疾病的因素。这些疾病通常需要通过手术切除，但手术会带来较高的疤痕风险。

水凝胶有助于伤口愈合。但由于咽喉和声带组织结构非常复杂，目前的治疗方法是通过皮肤注射，而不是精确地注射到受损区域。

但理论上，这种新设备可以在手术过程中悄悄地进入患者的喉咙。它微小的打印头不会阻挡外科医生的视线，因此可以在切除受损组织后近乎实时地进行打印。

“我一开始认为这是不可行的——制造一个尺寸小于 3 毫米的柔性机器人似乎是一个不可能完成的挑战，”领导这项研究的卢克·蒙戈在一份新闻稿中说。

虽然目前还只是原型，但这项设备未来或许能够帮助人们在手术后恢复声音，提高生活质量。它还有望实现通过鼻腔、口腔或小型手术切口将含有药物甚至活细胞的生物墨水输送到其他组织。

软软的创可贴

手术不可避免地会留下疤痕。虽然这些疤痕会给皮肤带来不便，但过度疤痕（称为纤维化）会严重限制组织的功能。

例如，手术后肺部纤维化会导致感染、血栓，并最终导致呼吸功能全面下降。心脏瘢痕会干扰心脏的电信号，并常常导致心律不齐。而对于声带等脆弱组织，纤维化会导致持续性僵硬，使人难以像以前那样发声、唱歌或说话——实际上剥夺了他们的声音。

科学家们发现了一系列可能有助于伤口愈合的分子，水凝胶就是其中一种很有前景的候选材料。水凝胶柔软、灵活且具有生物相容性，注射后能为声带提供柔软而又结构化的支撑。研究还表明，水凝胶可以促进健康组织的生长并减少纤维化。

但由于声带难以定位，注射是通过皮肤进行的，因此很难控制水凝胶的注射位置。

另一种方法是在体内直接3D打印水凝胶，并在手术过程中修复损伤。手持式和机器人系统均已在实验室成功测试，微创版本也正在兴起。一种设计利用气压在肠道内生物打印水凝胶。另一种设计则利用磁力修复肝脏。但现有设备体积过大，无法修复声带。

为了修复声带，理想的微型3D生物打印机必须能够无缝集成到咽喉手术中。手术中，外科医生会将显微镜经口腔插入并悬挂在咽喉内。虽然听起来不太舒服，但该手术非常有效，术后疼痛也很轻微。

打印头需要绕着显微镜灵活移动，同时还要能够灵活调整位置，精准对准损伤部位，且不遮挡外科医生的视野。最后，水凝胶喷雾的速度和力度也应该可控，避免出现类似不小心挤出过多强力胶的情况。

这款新型生物打印机的打印头有点像象鼻。它有一根柔性臂，可以轻松滑入喉部，末端是一个2.7毫米的弧形喷嘴。你可以把它想象成一支连接着软管的细尖记号笔。三根电缆驱动打印头，通过施加张力来控制喷嘴的运动，就像控制木偶的绳子一样。

该系统的核心部件位于执行器外壳内，外形像一个微型塑料礼盒。它内部装有用于打印头的凝胶注射器，并通过电机驱动可调节的电缆，利用定制算法将打印头精确移动到预定位置。其他电子元件则使团队能够使用无线游戏控制器实时控制整个装置。

研究团队写道，该执行器可以安装在标准的喉部手术显微镜下，这样在手术过程中就不会碍事。

为了全面测试这台设备的性能，研究团队使用这台微型生物打印机在平面上绘制了一系列形状，包括正方形、心形、螺旋形和各种字母。打印头能够精确地沉积细水凝胶线，这些细线可以堆叠起来形成更粗的线条——就像用细笔反复描摹图案一样。

研究团队还进行了一项模拟声带手术试验。“病人”是一个精确的3D喉部模型，但其声带上存在不同类型的损伤，其中一处损伤甚至完全缺失了一半的声带组织。生物打印机成功地完成了修复工作，顺利重建了缺失的声带。

“这个装置之所以如此令人印象深刻，部分原因在于它的行为是可预测的，尽管它本质上就是一根花园软管——如果你见过花园软管，你就知道当你开始用水流过它时，它会变得非常不稳定，”该研究的作者奥黛丽·塞达尔说。

这种灵活性是有代价的。虽然打印头设计能够变形以防止组织损伤，但也意味着它更容易受到执行器电机机械振动的影响，从而降低打印精度。

目前，这款迷你打印机需要手动控制，但研究团队正在研发半自动版本。更重要的是，它需要与活体动物体内的标准水凝胶注射方法进行对比，以证明其安全性和有效性。

“下一步是在动物身上测试这些水凝胶，希望这能引导我们进行人体临床试验，以测试生物打印机和水凝胶的准确性、可用性和临床效果，”蒙戈说。