全球最小3D生物打印机问世！加拿大团队攻克声带修复难题

声带，作为人体内负责发声的关键结构，拥有极其精细的组织结构和高动态的机械性能。然而如果声带病变，长出如囊肿或息肉等异物，必须进行切除手术。但在术后，声带经常会伴随纤维化（Post-Surgical Fibrosis, PSF）的风险，形成瘢痕组织。这种纤维化会显著降低声带黏膜的弹性，妨碍正常的黏膜波振动，进而导致患者出现发声困难问题。

在临床技术上，虽然病灶能够被完全切除，但如何在声带这一微小敏感的区域，实现受损组织的精确功能性重建，一直是外科医生乃至再生医学面临的长期挑战。

针对这一问题，加拿大麦吉尔大学（McGill University）的研究团队有所突破。10 月 29 日，他们在《Device》期刊上发表报告，介绍了团队开发的一种用于微创原位声带修复（Minimally Invasive In Situ Bioprinter, MIISB）的生物打印设备。该设备的设计着眼于如何在狭窄的体内环境中，精确地输送具有生物活性的材料，以促进组织再生并降低纤维化发生率。

图 | MIISB 工作流程示意图（来源：Device）

这款设备的核心是一个高度柔性的连续体机器打印头（continuum robotic printhead）。其外径仅为 2.7 毫米，总长约 300 毫米。在声带手术中，医生通常采用悬吊喉镜检查（Suspension Laryngoscopy, SL），手术器械需要通过直径约为 10.5 毫米至 13.5 毫米的工作通道进入喉部。因此，MIISB 打印头的小型化设计，使其能够兼容于标准的 SL 程序，避免了在手术过程中阻挡外科医生对声带的视野与观察。

除了足够微小外，MIISB 打印头在灵活度上也十分出色。研究团队受启发于自然界中的灵活结构，特别是大象的鼻子，设计出了它的独特结构——不是依赖于刚性的铰链或关节，而是通过内部集成的三根独立驱动缆线来操纵柔性臂的弯曲和延伸，从而在三维空间内定位喷嘴。这种运动机制使得设备能够在声带这一高度弯曲和深藏的区域实现操作。

图 | 打印头模型（来源：Device）

根据研究团队的报告，在 20 毫米的工作范围内，该设备实现了 1.33 毫米的定位精度平均绝对误差，并保持了小于 0.2 毫米的重复性，以及低至 1.2 毫米的最低一致打印分辨率。这些数据表明，设备具备在微观尺度下对生物材料进行可控沉积的潜力。

研究人员在实验中选用了透明质酸基水凝胶（hyaluronic acid hydrogel）作为生物墨水的主要成分，这是一种与声带固有层（lamina propria）天然细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）相似的生物材料，具有较好的生物相容性和适当的粘弹性。

实验技术报告显示，通过 MIISB 打印头，水凝胶被成功地沉积到人造声带模型上的模拟缺陷区域，如声带沟（sulcus）和病灶切除后的空腔，用以重建组织的几何形状。对这一步精确度的高要求，目的在确保水凝胶能够植入到声带的浅层固有层——这是负责发声振动的关键组织层。

在操作方面，当前版本的 MIISB 采用数据驱动的运动学模型来进行实时控制。设备目前由有经验的操作人员通过无线控制器或类似 PlayStation 游戏手柄的设备进行手动引导。这种人机交互模式使得外科医生可以根据实时观察调整打印位置。不过，研究团队已将实现程序化、自动化控制列入后续的开发目标，即通过整合图像识别系统，使打印机能够自主遵循预先规划好的打印路径，进一步提升沉积的精确度和效率。

图 | 水凝胶植入过程示意（来源：Device）

尽管初步研究是在离体手术模型（ex vivo surgical models）上进行的，但这项技术被认为具有扩展至临床应用的潜力。该研究工作的共同作者、宾夕法尼亚州立大学的生物医学工程师易卜拉欣·奥兹博拉特（Ibrahim Ozbolat）在接受媒体采访时指出，相较于传统的生物打印主要针对体表缺陷修复，MIISB 的出现，使得在体内深处修复组织缺陷成为可能。

在临床验证方面，该设备仍处于早期阶段，下一步必须在动物模型（in vivo）中进行测试，以评估水凝胶在活体环境中的生物整合、长期稳定性和设备在生理条件下的安全性，并验证其对发声功能恢复的实际影响。例如，要对小动物（如大鼠或猴子）进行测试，可能还需要对设备的尺寸和机械臂的柔韧性进行重新调整。此外，该设备目前的低刚度特性，可能会在接触组织或受到外科医生无意振动时，放大运动误差。团队未来的工程优化将集中于提高机械臂的刚度控制，并在算法层面集成更强大的抗震动补偿模型。

研究人员也在考虑 MIISB 平台的多功能性扩展。由于其柔性臂具备高精度定位的能力，该平台未来有可能被用于整合其他微创手术工具，例如微型手术刀或镊子，以增强其在狭窄空间内的操作能力，使其成为一个多用途的内窥镜手术辅助系统。

1.https://www.nature.com/articles/d41586-025-03538-y

2.https://doi.org/10.1038/d41586-025-03538-y

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