體內3D列印
3D列印(又名積層製造)這幾年幾乎大家都很熟悉了，而3D生物列印也已經不稀奇。但是要在生物體內直接進行3D生物列印進行醫療行為，就很少聽到了。所謂3D生物列印，是用生物墨水來建構生醫元件以建立如自然組織般的結構。目前為止我們看到的生物列印大多用在研究目的，像是組織工程和發展新藥，通常需要大型的3D列印機，在生物活體外生產細胞結構。本文要介紹的就是UNSW Sydney的科學家發表在Advanced Science的研究，成功開發出體積極小且具有柔軟性的3D生物列印機，像內視鏡般直接進入生物體內後，在器官或組織的表面列印多層的生物材料。
目前技術進展
這個概念已經證實可行，名稱為F3DB(Flexible 3D Bioprinter)，特徵是有一個易操作的旋轉頭，能列印生物墨水，這個旋轉頭附在一個長管狀，像蛇一般柔軟的機器手臂。而所有這個F3DB上的結構，都能從外部操控。科學家認為大概還需五到七年，這項技術就能正式用在醫療專業上，特別是用在一般醫師很難真的操作的體內某個部位，而這個裝置很微小，可以從生物體的自然孔洞或者開一個小傷口進入體內。目前開發團隊已將F3DB在人造結腸內測試，然後也在豬的腎臟表面嘗試列印各種不同形狀的材料。
現行的其他3D生物列印技術都需要在體外製作生物材料，然後開刀將這個材料移植到人體。但大傷口可能導致風險增加。這個柔軟的3D生物列印，讓生物材料可以利用微創、不開大傷口的方式直接傳送到目標組織或器官上，。
這個系統能做什麼呢? 它有機會在體內精準地復原立體形狀的傷口，像是胃壁受傷甚至損壞，還有在結腸內的傷口也是。目前這個系統原型已經能深入體內列印不同形狀的生物材料。此外，這個系統也凸顯現行3D生物列印的限制: 必須預先在體外列印好再移植到體內，但可能發生列印出來的元件和體內組織缺損的形狀接面不吻合的狀況，也就是合不起來；以及預先在體外列印的元件在送到體內的過程中可能發生損壞。
研發團隊表示，目前還沒有已經商品化且能深入生物體內的組織器官進行in-situ的3D生物列印產品。雖然有其他類似概念且已經證實功能的發明，但都比不上這篇研究內的產品原型來得有柔軟性，較難在體內侷限的空間操作。
這個3D生物列印機有多小?他的列印端大約和商品化的治療型內視鏡差不多大，直徑約11~13mm，可以進入人體的腸胃道，還有機會設計得更小。
軟性機器人
這個產品原型的特徵是擁有三軸向的列印頭，直接裝在軟性的機器手臂的尖端。這個列印頭有軟質的人工肌肉讓它能在三個方向移動，很像傳統桌上型的3D列印機。柔軟的機器手臂，因為液壓可以彎折、扭轉，也可以根據需求製作各種長度。但若想完成輸送任務，光憑材料柔軟度還不夠，還需要一定程度的剛性，他們藉由不同形式的彈性管和織物可以組合出多種程度的剛性。列印前可根據預先設計機構外型與參數或者當場在複雜的地方以手動列印。此外，開發團隊也應用了機器學習(Machine Learning)的控制技術來增強列印品質。
為了進一步測試這個技術的可行性，UNSW團隊測試了列印細胞後的存活性。實驗結果顯示細胞未受到這個列印流程的影響，因為大部分的細胞都還能存活著。而且在七天後，細胞還繼續成長出四倍的細胞出來。
全功能的內視鏡手術工具
研發團隊已經展示F3DB可能用來做為全功能內視鏡手術工具，例如可以切除某些癌症，特別是用在大腸癌，透過一種稱作內視鏡黏膜下剝離術(Endoscopic Submucosal Dissection, ESD) 。
大腸癌是世界上第三常見造成死亡的癌症，但早期割除癌症細胞可增加患者五年內存活率至少90%。所以該團隊也把F3DB的噴頭拓展用途來當做電刀，一開始先做記號，然後切除癌症病變。
此外，也可以直接從噴頭噴出水來清理血液和切割下來的組織，還能在該位置進行3D生物列印來幫助組織修復。
這個多功能也用豬腸來展示，研究人員說結果顯示F3DB確實可在未來開發成全功能內視鏡手術工具，相較現行的手術工具，全功能的F3DB能避免更換工具造成的感染風險，也減少手術時間。
目前，開發團隊已經為這個系統提交了臨時專利(Provisional Patent)申請，下一步是要進行活體體內(in-vivo)測試。此外，該系統也能整合攝影機和即時掃瞄系統，有機會在體內重建會跳動(例如心臟)或蠕動的器官組織的3D斷層掃描。
這個很小只有不到一公分左右的列印頭，特色在於柔軟度和可操控性，若在未來能搭配影像功能，確實是很有機會在微創手術上應用。
文章參考:UNSW
