三维机器人生物打印机制造技术

本公开涉及三维机器人生物打印机。一种将外科手术机器人用作三维打印机以用于在受试者体内制造生物组织的微创系统。术前计划被用于指令并且控制机器人的运动以及机器人生物墨水挤出两者。机器人运动与墨水挤出相协调以形成具有期望的厚度和尺寸的层，并且不同类型的墨水的使用使得复合元件能够被铺设。此类系统具有小直径生物墨水喷射机制，通常以活塞驱动插管的形式，使得能够到达具有有限空间的区域(诸如关节)。机器人控制被编程以使得围绕在进入受试者的插入点处的枢转点进行角运动。可在插管中以预先确定的层存储生物墨水以使得能够从一个插管进行顺序分配。能够从一个插管进行顺序分配。能够从一个插管进行顺序分配。

【技术实现步骤摘要】
三维机器人生物打印机
[0001]本申请是国际申请日为2018/4/2，国际申请号为PCT/IL2018/050384，进入中国国家阶段的申请号为201880036057.3，题为“三维机器人生物打印机”的专利技术专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及生物打印领域，尤其涉及使用微创机器人外科手术(surgical)系统在体内执行的生物打印。

技术介绍

[0003]使用三维生物打印的组织工程一直是一个前景光明的研究领域，为弥合器官短缺与移植需求之间的鸿沟提供了希望。三维生物打印允许组织或潜在的甚至器官被工程改造(engineer)并且随后被植入至受试者体内，从而大大地减少了患者等待治疗的时间。此外，由于可以从少量受试者组织(自体组织)中工程改造组织，故这种可能性的使用可避免对植入物的排斥以及对于抗排斥药物的需要。
[0004]可以在Rengier F等人的题为“3D printing based on imaging data:review of medical applications(基于成像数据的3D打印：医学应用的综述)”的文章中找到对于器官的三维打印的综述，该文章发表在International Journal of Computer Assisted Radiology Surgery(《国际计算机辅助放射外科杂志》)，2010年7月；5(4):335
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41.doi:10.1007/s11548
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010
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0476
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x.电子公布2010年5月15日。
[0005]Boland等人的“Ink
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Jet Printing of Viable Cells(活细胞的喷墨打印)”美国专利7,051,654描述了“用于通过将包含细胞的细胞组合物喷墨打印到基质上(其中至少约25％的所述细胞在培养24个小时之后仍在所述基质上保持存活)在类人环境中形成活细胞阵列的方法”。然而，该现有技术仅描述了将活细胞生物打印至基质上，而并没有描述直接打印至受试者的体内。
[0006]Xiaofeng Cui等人的题为“Direct Human Cartilage Repair Using Three
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Dimensional Bioprinting Technology(使用三维生物打印技术进行直接人类软骨修复)”的文章中陈述道“这种基于3D热喷墨的生物打印/光聚合的方法提供了具有足够的机械稳定性的计算机控制的逐层构造的材料的第一示例以用于软骨开发”，该文章发表在Tissue Engineering(《组织工程》)：A部分，第18卷，编号11以及12，2012年。该引用描述了利用经修改的HP Deskjet 500打印机使用每一个打印头中的50个喷嘴在体外打印至生物纸上，并且随后在打印之后的24小时检查细胞活力。
[0007]除了工程改造活细胞的方法之外，也描述了用于在体外工程改造自体或者非自体组织以及器官并且随后将它们植入至受试者的体内的方法以及系统。然而，此类方法需要具有与打印的组织的最终尺寸相同的尺寸量级(order)的开口，大大地增加了对于周围健康组织的创伤。
[0008]例如，Nhayoung Hong等人的由韩国水原市成均馆大学生物技术与生物工程学院
生物机电工程系发表的题为“3D bioprinting and its in vivo applications(3D生物打印及其在体内的应用)”的文章描述了一种骨组织构造，该骨组织构造“在成骨培养基(medium)中培养一周，并且然后被皮下植入到具有免疫缺陷的小鼠体内”。此外，该文章陈述道“仍有一些问题尚待解决，诸如细胞活力以及要被组成为更大并且更加多功能的组织或器官的打印组织的血管化
……
组织的血管化是制造人类级的组织的主要限制因素，因此，体内打印被限制为具有临床相关性的能够进行营养扩散的小尺寸(～几毫米)”。该文章进一步陈述道“将活细胞包裹在生物材料中的重要缺点之一是细胞
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生物材料悬浮液需要在材料储存器中保存相当长的一段时间；这损害了细胞活力并且限制了它们的生物活性。因此，需要一种装载以及喷射细胞
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生物材料悬浮液的更加自动的方式
……”
[0009]当前可用的用于直接生物打印至受试者体内的方法以及系统(通常开发用于软骨修复，这避免了此类血管化问题)需要具有大尺寸的元件的打印头，并且需要具有与该打印头相同尺寸量级的切口。一些现有技术系统也需要侵入式插入感测设备，诸如内窥镜相机。题为“3D(three
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dimensional)printing technique
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based cartilage repair system and method(基于3D(三维)打印技术的软骨修复系统和方法)”的中国专利申请CN 104688388在图1以及图2、图3D中示出了除了实际上从喷嘴杆伸出并且进一步增加了设备的可插入部分的大小的涡轮增压器22之外的定位于喷嘴杆2上的扫描器5以及相机6，扫描器5和相机6两者均增加了喷嘴杆的直径。该系统的进一步缺点在于通过完全设置在解剖膝关节腔内的机械径向旋转机制4来旋转喷嘴杆。这将看起来会实质性地增加对于受试者组织的创伤，并且减小喷嘴能够打印的体积，可能需要多次插入才能达到期望的体积。
[0010]中国专利申请CN 204092271公开了用于在受试者体内生物打印的管。该引用示出，在图2中，第一管体10包括打印管20、检测管30以及照明管40，上述所有均增加了第一管体10的直径。该引用的图1示出了在该管的远侧端处的图像数据输出端口302，其增加了该远侧端处的大小。该设备进一步需要导线，以用于将该设备恰当地定位在体内。由于该设备是柔性管，因此管的移动是复杂的并且需要成像元件以用于实时的位置分析。此类复杂的移动也可增加对于组织的创伤。
[0011]在Di Bella C等人的题为“In situ handheld three
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dimensional bioprinting for cartilage regeneration(软骨再生的原位手持三维生物打印)”的文章中，描述了一种“手持3D打印设备(生物笔)，该设备允许在体内在单次外科手术中将生物支架以及培养细胞直接同时共轴的挤出至软骨缺损中”，该文章2017年5月17日发表在Journal of Tissue Engineering for Regenerative Medicine(《再生医学组织工程杂志》)。然而，该生物笔是手持的，使得其定位的精度取决于外科医生的灵巧度。该缺点在构建三维生物对象所需的轨迹是复杂的情况下尤为明显。此外，如果在手术进程(procedure)期间生物笔的轨迹取决于外科医生的自行决定，则该外科医生可能会选择低效路径或导致较差结果的路径。
[0012]大多数现代生物笔的另一最主要的缺点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于在受试者体内形成三维组织元件的系统，所述系统包括：插管(12)，所述插管(12)被配置用于通过表面开口(11)插入所述受试者体内，所述表面开口(11)具有基本上类似于所述插管的横向尺寸的横向尺寸，所述插管的近侧端被配置成用于附接至外科手术机器人(1)并且远侧端包括喷嘴(2)，所述喷嘴(2)被适配以用于喷射一种或多种生物墨水以在所述受试者体内形成至少一层生物材料；至少一个生物墨水挤出机制(15)，所述至少一个生物墨水挤出机制(15)被配置成用于从所述插管的所述远侧端喷射所述一种或多种生物墨水；以及控制器(21)，所述控制器(21)被适配以用于：(i)根据基于至少三维术前图像组的术前外科手术计划，指令所述外科手术机器人调整所述插管在所述受试者体内的纵向位置和取向；以及(ii)控制所述挤出机制(15)，以使得根据所述插管在所述受试者体内的所述纵向位置和所述取向来喷射所述生物墨水，其特征在于，所述外科手术机器人被配置成用于使用所述表面开口作为所述插管的所述取向的枢转点来执行所述插管在所述受试者体内的所述取向的所述调整，使得能够在所述受试者体内形成具有大于所述插管的所述横向尺寸的尺寸的三维组织元件；其中所述系统进一步包括与所述外科手术机器人相关联的至少一个三维跟踪目标(18)，并且其中所述控制器被适配以用于使用所述至少一个三维跟踪目标(18)将所述外科手术机器人的坐标系配准到所述三维术前图像组；并且其中所述系统进一步包括设置在所述受试者的至少一个解剖要素上的参考标记(18)或荧光成像的解剖要素的图像数据，并且其中所述控制器被进一步适配以用于使用所述至少一个三维跟踪目标来将所述外科手术机器人的坐标系配准到所述参考标记(18)或所述荧光成像的解剖要素；并且其中所述控制器被进一步适配以用于：创建伪三维图像，并且通过图像处理方法将所述伪三维图像的所选择的窗口与所述三维术前图像组的类似地选择的窗口进行关联，使得能够使用所述术前外科手术计划来配准所述外科手术机器人的所述位置，所述伪三维图像是具有在其中标识的所述外科手术机器人的位置的图像，包括相对于所述解剖参考标记或所述荧光成像的解剖要素的所述外科手术机器人的所述坐标系；并且其中所述一种或多种生物墨水(25)被容纳在(i)所述插管中或(ii)与所述插管流体连接的一个或多个生物墨水存储体积中，并且优选地，其中所述插管被配置成用于容纳沿着所述插管...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：马佐尔机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：