《Advanced Science》：Soft Robotics and Advanced Technologies for Minimally Invasive Bioprinting: The Future of Internal Organ Repair
编辑推荐：
这篇综述系统阐述了软体机器人如何作为关键技术，赋能微创生物打印，以实现内部器官的精准修复。文章梳理了从手持式到自然腔道递送的生物打印发展四阶段路线图，重点分析了成像、生物墨水、软驱动、传感、建模与控制这六大核心使能技术支柱。作者探讨了人工智能、4D生物打印和器官芯片等前沿技术与微创生物打印的融合潜力，并对其临床转化面临的挑战和监管路径进行了前瞻性展望。
1. 引言：迈向通过微创生物打印与软体机器人实现精准器官修复
修复受损的内脏器官仍是现代医学的巨大挑战。传统的开放式手术创伤大、恢复慢。而生物打印技术，自上世纪80年代提出以来，已发展成为再生医学的基石。然而，常规的生物打印通常在体外进行，打印好的组织构建体需二次手术植入，存在几何形状不匹配、构建体脆弱和需要侵入性手术等问题。为了克服这些局限，研究人员引入了原位生物打印，将生物墨水和活细胞直接沉积在体内的目标部位，提高了几何精度并促进了组织整合。
为了真正发挥原位生物打印的优势，目标是将其与微创手术相结合，即微创生物打印。实现这一目标的关键技术是软体机器人。与刚性机器人系统不同，软体机器人由柔性、生物相容性材料制成，能够安全适应人体复杂的几何结构，是执行精细任务、最小化组织损伤的理想平台。
该领域的技术发展路线可分为四个阶段。阶段1关注于表面级生物打印，通常使用手持设备在皮肤等外部伤口上直接应用生物墨水。阶段2涉及通过开放式手术进行原位生物打印，主要使用协作机器人或刚性平台，可直接重建更深层的组织，但需要较大的操作空间。阶段3通过小切口推进到原位生物打印，主要使用微创手术工具，如腹腔镜器械或达芬奇手术系统。近年来，基于软体机器人的柔性平台也被纳入此阶段，它们能灵活导航至受限目标部位，并因其固有的机械顺应性而增强生物安全性。阶段4是最具未来感、创伤最小的阶段，探索通过自然腔道使用软体机器人进行生物打印。这种方法建立在经自然腔道内镜手术的原则之上，允许柔性器械通过口腔、肛门等进入体内，实现无外部切口的干预。
阶段3的腹腔镜入路和阶段4的自然腔道导航，共同构成了微创生物打印的范畴。在人体内部受限且动态的环境中执行精确的生物制造，需要一系列使能技术的协同整合，包括成像技术、生物墨水制备策略、软驱动、传感技术、建模和先进控制技术这六大核心支柱。
2. 软体机器人在医学创新中的作用：作为MIS和MIB的基础
在深入探讨软体机器人生物打印系统之前，首先需要了解软体机器人如何成为微创手术的核心使能技术。其顺应性、安全的组织交互以及通过曲折解剖结构导航的能力，同样使其成为微创生物打印的自然技术基础。
软体机器人是一个新兴领域，专注于用柔性、可变形的材料设计和开发机器人，其特性接近于生物组织。与通常由金属制成的传统刚性机器人不同，软体机器人由硅胶、弹性体、水凝胶等材料制成，使其能够以安全的方式与人体进行弯曲、扭转和压缩交互。这种顺应性对于在受限的解剖空间内安全、精确地操作至关重要。
近年来，软体机器人在广泛的生物医学领域展现出卓越潜力。在微创手术中，软体机器人工具可以导航通过紧密或弯曲的解剖路径。在组织工程中，软体机械臂可以精确放置细胞和生物材料。在药物输送方面，微型软体机器人可以将药物运载并释放到病灶部位。在康复领域，可穿戴的软体机器人设备可协助运动功能恢复。软体机器人还被设计用于模拟人体器官功能，如辅助心脏泵血或膀胱功能。
尽管前景广阔，但相对较少的软体机器人设备获得了临床批准。从实验室原型到临床批准的工具的转化，需要进行生物相容性、安全性和性能方面的严格测试。
回到生物打印的语境，传统方法通常依赖于笨重的刚性龙门系统，主要限于体外应用。相反，实现原位生物打印的潜力需要基于导管的递送平台，而软体机器人是首要候选者。大量的研究已经证明了软体机器人在微创手术中的功效。微创生物打印的最新进展进一步强调了软体机器人用于内部器官修复的巨大潜力。软体机器人与刚性工具相比的显著优势在于其机械顺应性，这在通过自然腔道导航时至关重要，因为它降低了对脆弱组织造成创伤的风险。在结构上，微创手术和微创生物打印系统共享一个通用的软导管基础，主要区别在于它们的末端执行器。虽然手术机器人可能使用抓钳进行内镜黏膜下剥离术中的切除术，但微创生物打印系统集成了专门的打印头和微流体通道来沉积生物墨水。
总之，这些进展表明，软体机器人提供了微创访问所需的顺应性、可操纵性和组织安全的操控与递送能力。因此，软体机器人是微创手术特别是微创生物打印的基本机械基础，有效地将生物打印从一种体外制造方法转变为一种微创的原位手术工具。
3. 用于原位应用的生物打印技术与软体机器人平台
3.1 三维生物打印全面概述
三维生物打印是一种增材制造技术，它利用计算机辅助设计，通过沉积活细胞来制造解剖结构精确、功能性的组织，用于组织修复和器官再生。自2000年代以来，关于生物打印的出版物逐渐增加，特别是在2012年左右开始受到明显的研究关注，此后兴趣持续增长。全球三维生物打印市场也正在经历显著增长。
生物打印的一般工作流程包括三个主要阶段：打印前、打印和打印后。在打印前阶段，细胞被采集并与生物材料混合以创建生物墨水，并根据成像数据生成目标组织的三维模型。在打印阶段，生物墨水被逐层沉积以形成具有高空间精度的活体结构。最后，打印后阶段涉及孵育打印的构建体以实现组织成熟和功能评估。一种先进的前沿方法称为原位生物打印，它允许将生物墨水直接打印到患者体内，绕过了打印后孵育的需要。
生物打印技术主要分为三种主要模式：挤出式、喷射式和光固化式。挤出式生物打印通过喷嘴在受控压力下挤出生物墨水以产生连续细丝。它材料通用性强，但分辨率相对较低。喷射式生物打印利用非接触的按需滴落机制来沉积生物墨水作为离散液滴。其非接触性质最大限度地减少了对基底的直接机械接触，并便于高精度细胞放置。但受限于严格的生物墨水流变学和可打印性要求。光固化生物打印通过光照射选择性地逐层固化液体光敏生物墨水来构建三维组织。这种无喷嘴模式的优势在于其卓越的结构保真度和分辨率，但面临光引发剂和紫外线照射潜在细胞毒性的挑战。
临床可扩展性主要取决于目标组织类型，范围从局部的毫米级软骨缺损到广泛的厘米级皮肤损伤。对于皮肤再生等表面应用，手持式生物打印机具有独特的临床可扩展性优势。相比之下，软骨缺损通常是更小的、毫米级的区域。对于内部器官修复，微创生物打印平台主要设计用于治疗病理损伤，如胃和食管溃疡。
尽管取得了重大进展，但尚无含有活细胞的原位生物打印产品获得FDA批准，这主要是由于监管障碍和这些技术尚处于早期阶段。一些FDA批准的设备使用具有生物相容性或可生物降解材料的三维打印，但由于在制造过程中不包含活细胞，不被视为“真正的生物打印”。展望未来，将生物打印与4D生物打印、器官芯片系统、人工智能和机器学习相结合，有望加速实现功能齐全、患者特异性的器官。
3.2 用于原位生物打印的软体机器人方法
随着原位生物打印向临床转化，能够安全、精确、且对组织创伤最小地沉积负载细胞的生物墨水的设备变得至关重要。传统上，生物打印的构建体要么在体外成熟后植入，要么在外部制造并通过开放式手术植入。在过去几十年里，这些程序严重依赖大型的三维生物打印机。虽然体外生物打印在组织工程的早期阶段发挥了重要作用，但它存在几个阻碍临床转化的关键限制。其中包括打印构建体机械强度差、预制成型构建体与实际缺损部位之间的形态不匹配、从打印到植入涉及多个步骤增加污染风险、制造与生物成熟阶段分离导致构建体生理调节有限，以及手动植入程序引入可变性。
原位生物打印已成为克服传统体外方法局限性的有前途的替代方案，具有几个潜在优势。它可以克服预制成型构建体的机械脆弱性和运输问题；允许实时针对缺损部位进行打印，显著提高几何保真度并降低手术复杂性；消除了支架运输和植入的需要，降低了污染和机械损伤的风险；利用患者身体作为起始的生物学环境，可能从一开始就促进即时的组织-宿主相互作用和更有效的整合；并且符合微创、机器人辅助手术的趋势，提供更高的精度和更小的患者创伤。
虽然现有的原位生物打印综述主要集中在手持设备和协作机器人平台上，但本综述将此分类扩展到包括柔性软体机器人系统，因为它们为深入解剖部位（包括通过自然腔道和受限管腔递送）的微创访问提供了一条独特且临床相关的途径。在当前大多数手持式和柔性平台下，一个反复出现的限制是缺乏患者特异性缺损获取。尽管如此，这些平台可以被讨论为有前途的原位生物打印设备，因为它们已经为原位沉积阶段提供了基本的硬件能力。随着患者特异性传感和重建以及自动化规划和控制不断成熟，这些系统有望向完全集成的原位生物打印流程发展。
