摘要：加拿大麦吉尔大学研究团队成功开发出世界最小的3D生物打印机，该设备配备直径仅2.7毫米的打印头，通过模拟大象鼻部的灵活运动机制，能够在狭窄的人体内部空间进行精确的生物材料沉积。这项突破性技术首次实现了内窥镜引导下的体内生物打印，为声带修复手术及其他微创医疗程序

信息来源：https://www.nature.com/articles/d41586-025-03538-y

加拿大麦吉尔大学研究团队成功开发出世界最小的3D生物打印机，该设备配备直径仅2.7毫米的打印头，通过模拟大象鼻部的灵活运动机制，能够在狭窄的人体内部空间进行精确的生物材料沉积。这项突破性技术首次实现了内窥镜引导下的体内生物打印，为声带修复手术及其他微创医疗程序开辟了全新的治疗路径。

声带疾病的外科治疗长期面临着技术挑战。当患者需要切除声带上的囊肿或异常增生组织时，术后疤痕形成往往导致声带僵硬，严重影响发声功能。医学研究已经证实，在手术部位注射特制水凝胶能够模拟声带的天然结构，为新组织生长提供支撑框架，从而促进正常愈合过程。然而，由于喉部解剖结构的复杂性和手术视野的限制，外科医生很难精确地将生物材料输送到目标位置。

研究团队负责人、生物医学工程师斯文·格罗恩从自然界寻找灵感，最终将目光投向了大象。大象的鼻部结构由超过40000块肌肉组成，能够执行从粗重搬运到精细操作的各种任务。这种独特的生物力学特性为设计柔性机械臂提供了完美的仿生学模板。

工程设计的技术创新

有时需要手术去除声带上的生长物或囊肿。图片来源：Garo/Phanie/Science Photo Library

微型生物打印机的核心技术挑战在于如何在极小的尺寸限制内实现复杂的机械运动和精确的材料控制。研究团队首先构建了直径8毫米的原型设备，随后通过精密工程技术将整体尺寸缩减至能够通过标准内窥镜的规格。最终版本的设备能够轻松穿过直径仅1厘米的内窥镜通道，为临床应用奠定了基础。

设备的仿象鼻臂采用了先进的软体机器人技术，通过精密的气动或液压驱动系统实现多自由度的弯曲和扭转运动。这种设计使得打印头能够在三维空间内灵活定位，绕过解剖障碍，到达传统刚性工具无法触及的位置。同时，柔性结构大大降低了对周围组织造成意外损伤的风险。

打印材料方面，研究团队选择了基于透明质酸的生物相容性水凝胶。透明质酸是人体天然存在的多糖化合物，具有优异的生物降解性和组织整合特性。这种水凝胶不仅能够为细胞生长提供三维支架，还能够释放促进愈合的生长因子，加速组织再生过程。

研究人员在外科医生的培训模拟器中测试了他们的微型 3D 生物打印机。该设备从左侧蜿蜒穿过外科医生的“内窥镜”，将水凝胶沉积到右侧的人造声带（粉红色）上。图片来源：Swen Groen

在实验验证阶段，研究团队使用专门的外科训练模拟器测试了设备的性能表现。实验结果表明，微型生物打印机能够精确地将水凝胶沉积到人工声带的预定位置，填补组织缺陷并形成均匀的生物材料层。打印精度和材料分布的一致性均达到了临床应用的要求标准。

操作系统的智能化进展

目前阶段，设备的操作需要训练有素的技术人员使用PlayStation游戏控制器进行手动引导。这种设计选择既保证了操作的直观性，也充分利用了现有成熟的人机交互技术。操作人员通过控制器的摇杆和按键，能够实时调节机械臂的位置、姿态以及水凝胶的挤出速度和量。

然而，研究团队的长远目标是实现设备的自主化操作。他们正在开发基于计算机视觉和人工智能的自动导航系统，该系统能够分析内窥镜传输的实时图像，识别手术部位的解剖结构，并自动规划最优的打印路径。这种智能化升级将显著降低对操作人员专业技能的依赖，提高手术的标准化程度和成功率。

机器学习算法在系统中扮演着重要角色。通过分析大量的手术图像数据，算法能够学习识别不同的组织类型、病理状态以及最适合的治疗策略。深度神经网络模型经过训练后，可以在毫秒级时间内做出治疗决策，实现真正的实时响应。

宾夕法尼亚州立大学的生物医学工程专家易卜拉欣·奥兹博拉特对这项技术给予了高度评价，他指出这是首次看到专门适用于声带治疗的生物打印技术。传统的生物打印主要应用于皮肤等外部组织的修复，而在人体内部进行精确的生物打印一直是该领域面临的重大挑战。

临床转化的现实路径

尽管技术前景令人鼓舞，但从实验室原型到临床应用仍需要克服诸多挑战。首先是监管审批过程，新型医疗器械必须通过严格的安全性和有效性评估才能获得临床使用许可。研究团队需要提供充分的临床前研究数据，证明设备在各种生理条件下的稳定性和可靠性。

动物实验是临床试验前的必要步骤。奥兹博拉特指出，研究团队可能需要针对不同的动物模型调整设备设计。例如，用于猴子的版本可能需要不同的尺寸规格，而用于小鼠的版本则需要进一步的微型化改进。每种动物模型都有其特定的解剖特点和生理参数，需要相应的技术适配。

成本控制是另一个关键考量因素。虽然精密的微型化技术能够实现卓越的性能，但制造成本可能限制其临床推广。研究团队需要在技术性能和经济可行性之间找到平衡点，通过规模化生产和工艺优化来降低单位成本。

设备的多功能扩展性为其商业化前景增添了更多可能性。除了生物打印功能外，仿象鼻机械臂还可以搭载其他微型手术工具，如手术刀、镊子、激光器等。这种模块化设计理念使得单一平台能够支持多种不同的微创手术程序，提高了设备的经济价值和临床实用性。

合著者、麦吉尔大学机械工程师吕克·蒙戈强调了这种多功能性的重要意义。在狭窄的手术空间内，传统工具的操作灵活性受到很大限制，而仿象鼻设计能够提供前所未有的操作精度和可达性。这为神经外科、心血管外科、消化内科等多个医学专科带来了新的治疗可能性。

展望未来，这项技术的成功可能催生一个全新的医疗器械细分市场。随着微创手术需求的不断增长和机器人技术的持续进步，仿生学启发的精密医疗设备将在现代医学中发挥越来越重要的作用。

来源：人工智能学家