Ученые создали самый маленький в мире биопринтер для восстановления голосовых связок

Размером менее 3 миллиметров, самый маленький из когда-либо созданных 3D-биопринтеров восстанавливает голосовые связки после операции, с высокой точностью нанося на них заживляющий гидрогель. Вдохновлённая хоботом слона, эта гибкая система обеспечивает ручное управление в реальном времени в рабочем пространстве всего 20 миллиметров. Эта технология может повысить точность хирургических вмешательств при лечении голосовых связок — одного из самых сложных в восстановлении органов.

Голосовые расстройства затрагивают около 3–9 % населения мира и ухудшают качество жизни пациентов, а также их способность к общению. Они обычно возникают из-за кист, повреждений или рака, поражающих голосовые связки, лечение которых в основном заключается в хирургическом удалении поражённой области. Однако восстановление после операции затрудняется из-за образования послеоперационных фиброзов.

Послеоперационный фиброз, затрагивающий от 5 до 18 % пациентов, приводит к отвердению голосовых связок и препятствует восстановлению голоса. Это требует дополнительного лечения для достижения полного функционального восстановления голосовых связок, что ещё больше увеличивает нагрузку на пациента.

В настоящее время для предотвращения этих фиброзов используются инъекции гидрогеля в собственную пластинку — соединительнотканный слой, расположенный под эпителием голосовых связок. Эти инъекции создают структурные сети, имитирующие механические свойства голосовых связок. Постепенно разлагаясь, гидрогель способствует естественной регенерации ткани и снижает риск образования фиброзов.

Однако существующие методы введения имеют ограничения. Проводимые ларингеальным путём, эти инъекции могут быть недостаточно точными, что затрудняет контроль над точным расположением гидрогеля. Эта неточность может помешать полной обработке поверхностного собственного слоя, сохраняя риск подслизистого фиброза.

Таким образом, для полного восстановления голосовых связок необходимо как точно распределить гидрогель на повреждениях различной структуры и размера, так и достоверно воспроизвести исходную морфологию тканей. Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи из Университета Макгилла в Монреале разработали 3D-биопринтер, способный наносить гидрогель с чрезвычайно высокой точностью.

«Наше устройство разработано не только для точности и качества печати, но и для удобства использования хирургом», — поясняет в пресс-релизе Свен Грун, биомедицинский инженер из Университета Макгилла и ведущий автор исследования нового биопринтера. «Его компактный и гибкий дизайн интегрируется в стандартные хирургические протоколы и позволяет осуществлять ручное управление в реальном времени в ограниченном рабочем пространстве», — добавляет он.

Хирургический контроль с точностью до миллиметра

Разработанный исследователями 3D-биопринтер оснащён крошечным гибким соплом, похожим на хобот, длиной 2,7 миллиметра, что делает его самым маленьким биопринтером, созданным на сегодняшний день. Сопло соединено с модулем управления кабелями, похожими на сухожилия, и может крепиться к хирургическому микроскопу.

«Изначально я думал, что это невозможно; создание гибкого робота размером менее 3 мм казалось мне невыполнимой задачей», — признаётся Люк Монго, биомедицинский инженер из Университета Макгилла и старший соавтор исследования, опубликованного в журнале Device. Управление принтером осуществляется вручную, в реальном времени, путём нанесения гидрогеля на основе гиалуроновой кислоты на целевые области линиями шириной 1,2 миллиметра.

Более конкретно, для управления соплом в реальном времени был разработан алгоритм на основе данных. Это позволяет точно контролировать его положение с погрешностью 1,33 миллиметра. Движения сопла также были запрограммированы так, чтобы оставаться точными и воспроизводимыми в рабочем пространстве размером 20 миллиметров.

Стоит отметить, что малоинвазивные методы биопечати in situ уже разрабатывались для различных органов, таких как печень или толстая кишка. Например, пневматические и гидравлические приводы использовались для биопечати в кишечнике. Однако, хотя эти технологии и эффективны для точного нанесения гидрогеля, они не подходят для голосовых связок, где рабочее пространство особенно ограничено. Другими словами, печатающая головка должна быть одновременно достаточно мала для работы в этой области и не мешать обзору хирурга.

Чтобы испытать устройство, исследователи вручную нанесли на плоскую поверхность различные формы — спирали, сердца, буквы и т.д. Команда смогла с высокой плавностью создавать однослойные и многослойные структуры. «Что делает этот аппарат таким впечатляющим, так это отчасти его предсказуемое поведение, даже несмотря на то, что он, по сути, представляет собой шланг — а если вы когда-либо видели шланг, то знаете, что когда по нему пускают воду, он становится неуправляемым», — подчёркивает Одри Седал, также соавтор исследования и биомедицинский инженер в Университете Макгилла.

Устройство также продемонстрировало свою эффективность для реконструкции голосовых связок на моделях, используемых хирургами для тренировки. Сопло достоверно воспроизводило геометрию голосовых связок со структурными дефектами после восстановления повреждения. Следующим шагом станет преобразование системы ручного управления в автономную, после чего последуют испытания на животных моделях, а затем клинические испытания.