Ein 3D-Druck-Softroboter transportiert Hydrogele zur Stimmband-Operationsstelle, um Gewebe zu rekonstruieren

Ein 3D-Druck-Softroboter transportiert Hydrogele zur Stimmband-Operationsstelle, um Gewebe zu rekonstruieren

Nach einer Stimmbandoperation entwickeln viele Patienten steife Stimmlippen, die ihre Sprechfähigkeit beeinträchtigen. Hydrogele können helfen, dies zu verhindern, indem sie die Heilung fördern. Die Abgabe von Hydrogelen an die Stimmbänder ist jedoch schwierig. Veröffentlichung am 29. Oktober in der Zeitschrift Cell Press Geräthat ein Team aus biomechanischen Ingenieuren und Chirurgen einen 3D-Druck-Softroboter entwickelt, der Hydrogele präzise an die Stimmband-Operationsstelle abgeben kann, um während der Operation entferntes Gewebe zu rekonstruieren. Der Druckkopf des Roboters ist nur 2,7 mm groß – der kleinste Biodrucker, über den bisher berichtet wurde.

„Unser Gerät ist nicht nur auf Genauigkeit und Druckqualität ausgelegt, sondern auch auf die Benutzerfreundlichkeit für den Chirurgen“, sagt Erstautor und biomedizinischer Ingenieur Swen Groen von der McGill University. „Sein kompaktes und flexibles Design lässt sich in standardmäßige chirurgische Arbeitsabläufe integrieren und ermöglicht eine manuelle Echtzeitsteuerung in einer eingeschränkten Arbeitsumgebung.“

Zwischen 3 % und 9 % der Menschen entwickeln im Laufe ihres Lebens Stimmstörungen aufgrund von Zysten, Wucherungen oder Krebserkrankungen an den Stimmbändern. Diese Wucherungen werden normalerweise chirurgisch entfernt, aber viele Patienten entwickeln nach der Operation eine Fibrose, die die Stimmbänder versteift und das Sprechen erschwert. Um einer Fibrose vorzubeugen, injizieren Chirurgen normalerweise Hydrogele in das Rachengewebe, es ist jedoch schwierig, Hydrogele durch Injektion genau zu verabreichen.

Um eine genauere Hydrogelabgabe zu ermöglichen, machten sich die Forscher daran, einen Miniatur-3D-Drucker zu entwickeln, der in den chirurgischen Eingriff integriert werden könnte. Ähnliche Bioprinting-Geräte wurden entwickelt, um Hydrogele in den Dickdarm und die Leber zu transportieren. Diese Geräte sind jedoch zu groß für den Einsatz bei Stimmbandoperationen, die mithilfe eines Laryngoskops durch den offenen Mund des Patienten durchgeführt werden. Um mit dem chirurgischen Eingriff kompatibel zu sein, musste der Druckkopf klein genug sein, um in den Hals eines Patienten zu passen, ohne die Sicht des Chirurgen auf die Stimmlippen zu beeinträchtigen.

Ich dachte zunächst, dass dies nicht machbar wäre – es schien eine unmögliche Herausforderung zu sein, einen flexiblen Roboter mit einer Größe von weniger als 3 mm zu bauen.“

Luc Mongeau, leitender Autor, biomedizinischer Ingenieur an der McGill University

Das Design des Geräts wurde von Elefantenrüsseln inspiriert. Der Druckkopf besteht aus einer Düse am Ende eines flexiblen „Stamms“, der über sehnenartige Kabel mit einem Steuermodul verbunden ist, das an einem Operationsmikroskop montiert werden kann. Das Gerät kann in Echtzeit manuell gesteuert werden und funktioniert durch die Abgabe eines Hydrogels auf Hyaluronsäurebasis in 1,2-mm-Linien. Die Forscher programmierten seine Bewegungen so, dass sie innerhalb eines Arbeitsbereichs von 20 mm präzise, ​​genau und wiederholbar sind.

Um die Fähigkeit des Druckkopfs zur präzisen Abgabe von Hydrogelen zu demonstrieren, „zeichneten“ die Forscher damit manuell Formen, darunter 2D-Spiralen, Herzformen und Buchstaben, auf einer ebenen Fläche. Dann verwendeten sie das Gerät, um Hydrogele an simulierte Stimmlippen abzugeben, die zur Ausbildung von Chirurgen verwendet wurden. Das Gerät war in der Lage, die Stimmlippengeometrie in diesen Modellen genau zu rekonstruieren, die Gewebedefekte darstellten, einschließlich eines Hohlraums, der nach der Entfernung einer Läsion entstanden war, und einer Stimmlippe, die eine vollständige Rekonstruktion erforderte.

„Ein Teil dessen, was dieses Gerät so beeindruckend macht, ist, dass es sich vorhersehbar verhält, obwohl es im Wesentlichen ein Gartenschlauch ist – und wenn Sie jemals einen Gartenschlauch gesehen haben, wissen Sie, dass es verrückt wird, wenn man anfängt, Wasser durch ihn laufen zu lassen“, sagt Co-Autorin Audrey Sedal, eine biomedizinische Ingenieurin an der McGill University.

Derzeit wird das Gerät manuell gesteuert, die Forscher arbeiten jedoch an der Entwicklung eines Systems, das autonome und manuelle Steuerung kombiniert.

„Wir versuchen, dies in die Klinik zu übertragen“, sagt Mongeau. „Der nächste Schritt besteht darin, diese Hydrogele an Tieren zu testen, und das wird uns hoffentlich zu klinischen Studien am Menschen führen, um die Genauigkeit, Verwendbarkeit und klinischen Ergebnisse des Biodruckers und des Hydrogels zu testen.“

Diese Forschung wurde durch Mittel der National Institutes of Health unterstützt.

Quellen: