原位置 3D バイオプリンティングと内視鏡手術のための高度なソフトロボットシステム

寄稿者: 張志航、連秦寄稿部署: 西安交通大学精密マイクロナノ製造技術国家重点実験室出典: 中国機械工学会付加製造技術 (3D プリント) 支部

生物学的 3D プリント技術と内視鏡ロボットは、どちらも医療分野で非常に注目されている研究分野です。中でも、生物学的3Dプリント技術は医学や医薬品に革命的な影響を与えており、将来的には欠陥のある人間の組織や臓器の製造や修復に利用されることが期待されています。つまり、人間の組織や臓器の3Dプリント技術は、現在不治の病とされている多くの病気に希望をもたらすと期待されています。内視鏡手術ロボットは、将来の内科の外科化にとって重要なツールです。内視鏡手術ロボットの使用により、開腹手術や開胸手術などの侵襲性の高い外科手術を必要とせずに、口や肛門から胃腸疾患を治療できるケースが増えています。内視鏡ソフトロボットは、この状況を変え、消化器科医が出血や穿孔を心配することなく外科医のように消化管内の病変組織を除去できるようにすると期待されています。

ニューサウスウェールズ大学の研究チームは、生物学的3Dプリント機能を備えた内視鏡ロボットF3DB[1]を開発しました。生物学的3Dプリント技術と内視鏡ロボットという2つの人気の技術を組み合わせることで、図1に示すように、より想像力豊かな内視鏡治療法が形成されました。この技術は、自由度の高いプリントヘッドと、長くて柔軟な蛇のようなボディに搭載された柔らかいロボットアームを特徴としています。このデバイスは、小さな皮膚切開または人体の自然な開口部（口、肛門など）を通じて、体内の狭く届きにくい領域に送り込むことができます。新しい F3DB は、i) 外科的移植前に生体材料を成熟させるための in vitro インキュベーションの必要性を排除し、ii) 印刷された生体材料とターゲット表面間のインターフェースの不一致を回避し、iii) 印刷されたデバイスの設置面積を小さくすることで、既存の 3D バイオプリンティング技術のいくつかの主要な障害を克服すると期待されています。

図1 フレキシブル3Dバイオプリンター（F3DB）システム。 a) 複数の場所で内臓や組織（腸、胃、心臓など）の表面上でその場でバイオプリンティングを実行できる F3DB ロボットの概略図。システム全体は外部の油圧源（モーターハウジング）を介して柔らかい人工筋肉によって駆動され、ユーザーはメインコンソールを介してプリントヘッドを操作します。 b) 柔軟なメカニズム、3D プリントされたヘッド、ロボットアームを備えた F3DB ロボットプロトタイプ。 c) 新鮮な豚腎臓の ex vivo in situ 3D プリント。 d) 印刷されたノズルを電気メスとして使用して新鮮な豚の結腸の組織を解剖する。

ソフト油圧アクチュエータの高度な機能を活用して、曲げと伸長の3自由度動作を備えたソフトロボットアームが開発され、3自由度動作を備えた3Dプリントヘッドがソフトロボットアームに搭載され、完全な生物学的3Dプリンターが形成されました。このデバイスは、柔らかい人工筋肉を使用して完全に作動し、運動反転モデル、新しい非線形ヒステリシスモデル、および機械学習ベースのコントローラーによって制御されます。 F3DB の作業スペース、周波数応答、耐久性、および力生成は実験的に検証されます。 F3DB の内視鏡手術能力は、新鮮な豚組織でさらに実証されました。この新しいシステムは、in situ バイオプリンティングの分野におけるギャップを埋め、高度な内視鏡手術ロボットの将来の開発をサポートすることが期待されています。

参考文献:
THAI MT、PHAN PT、TRAN HA、et al. In Situ 3Dバイオプリンティングと内視鏡手術のための先進的ソフトロボットシステム[J]。Advanced Science、2023、10(12)。

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