物質科學

Physical science

聲帶手術后，許多患者會出現聲帶僵硬情況，進而影響言語功能。水凝膠可以通過加速愈合，預防此類并發癥，但是將其精準遞送到聲帶是很困難的。2025年10月29日，Cell Press細胞出版社旗下期刊Device發表題為“A continuum robotic bioprinter for in situ vocal fold repair”的一項研究，生物力學工程師與外科醫生團隊開發出一款3D打印軟體機器人，能精準將水凝膠送到聲帶手術部位，用于重建術中切除的組織。該設備打印噴頭尺寸僅2.7毫米，是迄今報道的最小生物打印機。

“我們的設備不僅注重精度和打印質量，更兼顧外科醫生的操作便利性。其緊湊靈活的設計不僅適配標準手術流程，還可在空間受限的手術環境中實現實時手動操控。”論文第一作者、加拿大麥吉爾大學生物醫學工程師Swen Groen表示。

由于聲帶囊腫、增生或癌變等原因，全球有3%至9%的人會在一生中出現發聲障礙。此類病變通常通過手術治療，但多數患者術后會出現組織纖維化，導致聲帶硬化、言語困難。為預防纖維化，外科醫生通常會將水凝膠注射至喉部組織，但此類注射難以實現水凝膠的精準遞送。

為實現更精準的水凝膠遞送，研究人員著手設計一種微型3D打印機，可以集成到手術過程中。此前雖已有針對結腸和肝臟的水凝膠生物打印設備，但其尺寸過大無法適用于聲帶手術——該手術需借助喉鏡經患者口腔進行操作。為適配此術式，打印噴頭必須足夠微型，既能置入患者喉部又不會遮擋外科醫生的手術視野。

“起初我認為這根本不可行。要制造出尺寸小于3毫米的柔性機器人，這簡直是個不可能完成的挑戰。”論文通訊作者、麥吉爾大學生物醫學工程師Luc Mongeau表示。

該設備的設計靈感源于象鼻結構。打印噴頭由柔性主干末端的噴嘴構成，通過類肌腱線纜連接至可安裝在手術顯微鏡上的控制模塊。該設備支持實時手動控制，能以1.2毫米線寬遞送基于透明質酸的水凝膠。研究人員對其運動軌跡進行編程，確保在20毫米工作范圍內實現精確、可重復的運動。

為驗證打印噴頭精準遞送水凝膠的能力，研究人員手動操控設備在平面繪制了二維螺旋、心形及字母等圖案。隨后，他們使用該設備向用于外科培訓的模擬聲帶遞送水凝膠。針對模擬組織缺損的模型（包括病灶切除后的空腔及需全聲帶重建的缺損），該設備均能精準重建聲帶幾何形態。

“這款設備的卓越之處在于，盡管它本質上是根‘軟管’——但凡見過澆水軟管的人都知道，通水時軟管會失控亂甩——但該設備的運行狀態卻完全可預測。”論文合著者、麥吉爾大學生物醫學工程師Audrey Sedal指出。

目前該設備采用手動控制模式，但研究人員正在研發一種自動與手動控制相結合的系統。Mongeau表示：“我們正努力將這項技術應用于臨床。下一步是在動物體內測試這些水凝膠，從而為人體臨床試驗鋪平道路，以驗證生物打印機與水凝膠的精準性、實用性和臨床效果。”

相關論文信息

論文原文刊載于Cell Press細胞出版社期刊Device，

▌論文標題：

A continuum robotic bioprinter for in situ vocal fold repair

▌論文網址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998625002868

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.device.2025.100973