物质科学

Physical science

声带手术后，许多患者会出现声带僵硬情况，进而影响言语功能。水凝胶可以通过加速愈合，预防此类并发症，但是将其精准递送到声带是很困难的。2025年10月29日，Cell Press细胞出版社旗下期刊Device发表题为“A continuum robotic bioprinter for in situ vocal fold repair”的一项研究，生物力学工程师与外科医生团队开发出一款3D打印软体机器人，能精准将水凝胶送到声带手术部位，用于重建术中切除的组织。该设备打印喷头尺寸仅2.7毫米，是迄今报道的最小生物打印机。

“我们的设备不仅注重精度和打印质量，更兼顾外科医生的操作便利性。其紧凑灵活的设计不仅适配标准手术流程，还可在空间受限的手术环境中实现实时手动操控。”论文第一作者、加拿大麦吉尔大学生物医学工程师Swen Groen表示。

由于声带囊肿、增生或癌变等原因，全球有3%至9%的人会在一生中出现发声障碍。此类病变通常通过手术治疗，但多数患者术后会出现组织纤维化，导致声带硬化、言语困难。为预防纤维化，外科医生通常会将水凝胶注射至喉部组织，但此类注射难以实现水凝胶的精准递送。

为实现更精准的水凝胶递送，研究人员着手设计一种微型3D打印机，可以集成到手术过程中。此前虽已有针对结肠和肝脏的水凝胶生物打印设备，但其尺寸过大无法适用于声带手术——该手术需借助喉镜经患者口腔进行操作。为适配此术式，打印喷头必须足够微型，既能置入患者喉部又不会遮挡外科医生的手术视野。

“起初我认为这根本不可行。要制造出尺寸小于3毫米的柔性机器人，这简直是个不可能完成的挑战。”论文通讯作者、麦吉尔大学生物医学工程师Luc Mongeau表示。

该设备的设计灵感源于象鼻结构。打印喷头由柔性主干末端的喷嘴构成，通过类肌腱线缆连接至可安装在手术显微镜上的控制模块。该设备支持实时手动控制，能以1.2毫米线宽递送基于透明质酸的水凝胶。研究人员对其运动轨迹进行编程，确保在20毫米工作范围内实现精确、可重复的运动。

为验证打印喷头精准递送水凝胶的能力，研究人员手动操控设备在平面绘制了二维螺旋、心形及字母等图案。随后，他们使用该设备向用于外科培训的模拟声带递送水凝胶。针对模拟组织缺损的模型（包括病灶切除后的空腔及需全声带重建的缺损），该设备均能精准重建声带几何形态。

“这款设备的卓越之处在于，尽管它本质上是根‘软管’——但凡见过浇水软管的人都知道，通水时软管会失控乱甩——但该设备的运行状态却完全可预测。”论文合著者、麦吉尔大学生物医学工程师Audrey Sedal指出。

目前该设备采用手动控制模式，但研究人员正在研发一种自动与手动控制相结合的系统。Mongeau表示：“我们正努力将这项技术应用于临床。下一步是在动物体内测试这些水凝胶，从而为人体临床试验铺平道路，以验证生物打印机与水凝胶的精准性、实用性和临床效果。”

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社期刊Device，

▌论文标题：

A continuum robotic bioprinter for in situ vocal fold repair

▌论文网址：

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

▌DOI：

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