三维机器人生物打印机的制作方法

本发明涉及生物打印领域，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。

背景技术：

1、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。

2、可以在rengier f等人的题为“3d printing based on imaging data:review ofmedical 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 assistedradiology surgery(《国际计算机辅助放射外科杂志》)，2010年7月；5(4):335-41.doi:10.1007/s11548-010-0476-x.电子公布2010年5月15日。

3、boland等人的“ink-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。

4、xiaofeng cui等人的题为“direct human cartilage repair using three-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tissueengineering(《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。

5、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。

6、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-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-生物材料悬浮液的更加自动的方式……”

7、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-dimensional)printing technique-based cartilage repair systemand 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cn104688388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。

8、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。

9、在di bella c等人的题为“in situ handheld three-dimensional bioprintingfor 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 oftissue 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。

10、大多数现代生物笔的另一最主要的缺点是此类设备通常很大以至于需要受试者体内的很大的开口，甚至需要例如打开膝关节。这是由于以下事实：如果要打印不止一种类型的组织，则生物笔需要承载(host)不同的生物墨水类型的至少两个墨盒、腔室或舱，并且当这些墨盒被定位于该生物笔的可插入部分内时，这增加了该设备的直径。例如，cathal do’connell等人的在2016年3月22日发表在journal biofabrication(《生物制造杂志》)第8卷上的题为“development of the biopen:a handheld device for surgical printingof adipose stem cells at a chondral wound site(生物笔的开发：用于在软骨伤口部位处手术打印脂肪干细胞的手持设备)”的文章陈述道“生物笔是由容纳两个墨水腔室(被标记为“左”以及“右”)的3d打印底盘、3d打印(钛)挤出器喷嘴以及uv源组成的。用户(即，外科医生)可以经由气动挤出系统单独地控制通过每一个墨水腔室的挤出。外科医生可以使用脚踏板从“左”或“右”腔室挤出或从两个腔室同时挤出。”在该引用中，不仅生物笔的定位取决于外科医生的灵巧度，并且挤出是手动控制的，并且由此可能取决于外科医生的椎弓根(pedicular)灵巧度。此外，当诸如在例如软骨结构中的情况下将不同的组织打印在不同的层中时，由于手动涂覆层的准确性的缺乏，手持设备不能提供所需的薄层堆叠。

11、因此，存在对能够利用小直径的可插入设备精确地执行微创外科手术的系统和方法的需要，该系统和方法克服现有技术中所示出的系统和设备的缺点中的至少一些缺点。

12、在本部分以及本说明书的其他部分中提到的出版物中的每一个的公开均通过引用各自以其整体并入本文。

技术实现思路

1、本公开描述了使用外科手术机器人作为三维打印机以用于在受试者的身体内体内地制造生物组织(例如，用于软骨修复)的新的微创系统以及方法。这些系统利用综合的术前计划以准确地指令并且控制机器人在外科手术进程期间的运动以及墨水挤出两者。两个机器人功能是彼此协同地执行的。此类系统具有通常以插管形式的小直径生物墨水喷射机制，并且机器人控制被编程以使得施加至该插管的角运动围绕在进入受试者的插入点处的旋转点进行，以便使对组织的创伤最小化并且增加可打印的体积，由此减少对于额外切口的需要。

2、生物墨水喷射机制通常包括：插管，该插管被配置成用于穿刺受试者；生物墨水存储体积，该生物墨水存储体积被适配以用于以预先确定的量承载一种或多种生物墨水；生物墨水挤出机制，诸如机器人控制的活塞，其被配置成用于使一种或多种生物墨水向远侧(distally)移动；以及在插管的远侧端处的喷嘴，该喷嘴被适配以用于在受试者体内喷射生物墨水以形成至少一层生物材料。与在体外的恒温箱中培育组织相反，在体内制造打印的组织提供了用于培育打印的组织细胞的最佳环境以及最佳恒温箱。

3、与一些需要多个生物墨水腔室(其增加了设备的可插入部分的大小)的现有技术系统不同，本公开的系统可以可选地具有仅单个小直径体积以用于在挤出之前容纳一种或多种类型的生物墨水。此类体积可以是插管内的圆柱形体积，该插管可以是例如针或导管。由于单个小直径体积可能够承载不止一种不同的生物墨水类型，该不止一种不同的生物墨水类型沿着存储体积的长度以层布置以用于顺序地挤出，因此设备的可插入部分的直径可仅由喷嘴的大小限制，喷嘴的大小应当足够大以提供足够的量以及宽度的墨水挤出。替代地，若干供应管可被连接至单个打印头，每一个供应管具有不同的细胞类型，这与在彩色打印头中使用的一些布置相似。

4、此外，与其中设备的定位以及生物墨水挤出两者是手动控制的一些现有技术系统不同，在当前描述的系统中，这两者可以是便利地机器人控制的，由此增加精度。可以术前地确定外科手术计划，该外科手术计划包括三维组织元件的预先确定的(i)形状、(ii)成分、(iii)位置以及(iv)大小中的至少一个。因为术前计划是综合的，所以事先就知道将需要哪些生物墨水以及所需要的生物墨水的顺序和量。因此，可以在术前根据外科手术计划在插管的存储体积中以预先计算的层、以正确的顺序以及量准备以凝胶形式有利地提供的不同的生物材料，因此仅需要单个挤出设备体积并且因此减少了插入的设备的直径。该方式大大地减少了对于目标3d打印区域周围的健康组织的创伤。

5、外科手术计划可被输入至控制器，该控制器分析所需要的3d可打印体积，并且确定生物墨水喷射机制在手术进程期间在多个自由度上的对应的所需要的运动。机器人的运动应当由控制器指令，使得生物墨水喷射机制的插管跟随预先确定的轨迹。控制器也可使用对外科手术计划的分析以确定从喷嘴喷射所需要的墨水的类型以及这些生物墨水的喷射的顺序、量以及速率。

6、除了指令外科手术机器人操纵在外科手术部位处的生物挤出机制的位置以及取向，并且根据术前外科手术计划协调地控制生物墨水的喷射以形成三维组织元件之外，控制器可进一步被配置成用于根据术前外科手术计划提供用于在手术进程之前使用一种或多种生物墨水填充插管的要求。要求应当包括所需要的生物墨水的量以及类型，并且如果仅提供了单个圆柱形体积，则该要求还应包括在该圆柱形体积墨水递送系统中的所要求的生物墨水层的顺序以及体积。控制器通过诸如计算机或微处理器之类的硬件组件的方式执行指令以及处理步骤。控制器可进一步包括用于存储信息的存储器组件。

7、因为一些现有技术系统需要侵入式插入的成像设备以便于使得外科医生能够看见打印手术进程的位置以及进展，因此对设备的可插入部分的直径作出不利贡献。与此类系统相反，配准过程可被用于将术前计划的空间坐标与机器人的坐标系以及在术中3d制造期间生物墨水被打印到的受试者区域的坐标系相匹配。这消除了对内窥镜相机或生物墨水喷射机制本身上的任何其他成像设备的需要，该生物墨水喷射机制被配置成用于被插入至受试者体内。可通过将术前图像与术中图像相匹配来执行配准过程，或替代地通过使用导航跟踪系统以执行对基准特征以及机器人的实时跟踪来执行配准过程。通过对此类配准手术进程的使用，机器人生物打印系统可以在不需要任何成像、感测或照明元件的情况下操作，使得可将设备的可插入部分的直径限制至所要求的用于提供足够的生物墨水流的插管直径以及喷嘴开口大小，而无关乎插管是否仅仅是具有被定位于插管的近侧的生物墨水的存储的流动插管，或是还包含生物墨水存储体积的复合插管。

8、当前公开的系统的进一步特征是喷嘴以多角度的自由度的运动可以有利地围绕位于进入受试者体内的设备的插入点处的单个枢转点或支点执行。在本公开全文中可等效地使用术语“支点”以及“枢转点”。除了围绕该插入点的任何相关的角定位以外，插管还可通过该插入点纵向地移动。这增加了可打印体积，同时减少了对受试者组织的创伤。由于生物墨水喷射机制可包含多个生物墨水类型，因此多dof生物墨水喷射机制可在相同的水平平面上挤出多种材料和/或在不同的水平平面上挤出不同的材料。例如，椎间盘(包括圆周处的纤维环以及中心处的髓核)的打印可通过以下操作而成为可能：根据配备喷嘴的机器人的位置交替打印的生物墨水的类型使得在正确的位置处沉积两种不同的材料，从而生成椎间盘的环带以及核。

9、在上文描述的系统以及方法中，术语“三维生物打印”被用于描述用于铺设(laydown)将生成体内元件的层的过程。这个过程可采取多种不同的形式，包括以下两者：真正的喷墨类型的机制，其中通过加热在头部处的生物墨水或通过高强度声场的应用(这两者中的任一者会生成微小气泡，从而迫使等效体积的生物墨水退出)来喷射小滴的生物墨水；以及挤出类型的打印头，该挤出类型的打印头利用具有活塞的注射器或者施加的气压，其迫使生物墨滴从微小喷嘴中挤出。其他类型的微型打印也是可用的。要理解的是，在本公开全文中并且如权利要求所述的，术语“三维打印”、“喷墨打印”、“喷墨挤出”或“喷射”以及相似的术语旨在包括通过铺设连续的层以进行元件的三维生成的任何此类方法，而无关乎所使用的三维打印头的特定类型。

10、因此，根据本公开中描述的设备的示例性实现，提供了用于根据基于至少三维术前图像组的术前外科手术计划在受试者体内形成三维组织元件的系统，该系统包括：

11、(i)插管，该插管被配置成用于通过具有与插管的横向尺寸相同量级的横向(lateral)尺寸的表面开口来被插入受试者体内，该插管被配置成用于被附接至外科手术机器人，并且包括在其远侧端处的喷嘴，该喷嘴被适配以用于喷射一种或多种生物墨水以在受试者体内形成至少一层生物材料，

12、(ii)至少一个生物墨水挤出机制，该至少一个生物墨水挤出机制被配置成用于从插管向远侧喷射一种或多种生物墨水，以及

13、(iii)控制器，该控制器被适配以用于：

14、(i)指令外科手术机器人根据术前外科手术计划调整在受试者体内的插管的纵向位置以及取向，并且

15、(ii)控制挤出机制，使得根据在受试者体内的插管的纵向位置以及取向来喷射该生物墨水，

16、其中系统使得能够在该受试者体内形成具有大于插管的横向尺寸的尺寸的三维组织元件，并且其中，外科手术机器人被配置成用于使用表面开口作为插管的取向的枢转点，执行插管在受试者体内的取向的调整。

17、在此类系统中，控制器可进一步被适配以用于获得外科手术机器人的协调系统到三维术前图像组的配准。在这些系统中的一个的情况下，术前外科手术计划可包括三维组织元件的至少(i)几何形式，(ii)成分，(iii)位置以及(iv)尺寸。

18、根据此类系统的进一步实现，至少部分地由控制器使用下述中的至少一者确定术前外科手术计划：(i)三维术前图像组的图像处理以及(ii)来自外科医生的输入。在此类系统中，术前外科手术计划的确定可进一步利用对来自医疗数据库的数据的分析。

19、又其他实现可包括如上文所描述的系统，其中一种或多种生物墨水被容纳在(i)插管中或(ii)流体地连接至插管的一个或多个生物墨水存储体积中。根据此类系统的选项(i)，插管被配置成用于容纳沿着插管的长度以层布置的至少两种生物墨水，该层具有预先确定的量、成分以及顺序。在该情况下，可由控制器根据术前外科手术计划确定层的预先确定的量、成分以及顺序。

20、根据此类系统的又进一步实现，三维组织元件的整体可在不需要从受试者移除插管的情况下形成。此类三维组织元件是通过下述形成的：(a)结合插管的递增纵向移动在第一深度处执行插管的取向的调整，以形成第一层生物材料，并且(b)后续地将插管移动至受试者体内的第二深度，并且结合插管的递增纵向移动在第二深度处执行插管的取向的调整以形成第二层生物材料，并且重复(b)直至形成三维组织元件。

21、在上文所描述的系统中的任一个中，表面开口可被利用以提供到受试者的膝关节的入口。此外，生物墨水挤出机制可以是活塞、外部压力应用设备、气压设备或生物墨水喷射打印头中的任一个。此外，插管的直径可以小于3mm或甚至小于3mm。

22、根据上文所描述的系统的又进一步实现，生物材料的各层中的至少一个层可包括软骨、骨培养基、肌肉、血管或韧带材料。

23、此类系统的又其他实现可进一步包括与外科手术机器人相关联的至少一个三维跟踪目标，并且其中控制器被适配以用于使用至少一个三维跟踪目标将外科手术机器人的协调系统配准至三维术前图像组。在此类情况下，系统应进一步包括参考标记或荧光成像的解剖要素，该参考标记被设置在受试者的至少一个解剖要素上，并且其中控制器被进一步适配以用于使用至少一个三维跟踪目标以将外科手术机器人的协调系统配准至参考标记或配准至荧光成像的解剖要素。在此类情况下，控制器可被进一步适配以用于创建伪三维图像，该伪三维图像包括相对于解剖参考标记或相对于荧光成像的解剖要素的外科手术机器人的协调系统；并且用于将伪三维图像的所选择的窗口与三维术前图像组的相似的选择的窗口相关联，使得可使用术前外科手术计划配准外科手术机器人的位置。

24、上文所描述的系统中的任一个可进一步包括转向机制，该转向机制用于将插管的喷嘴转向至期望的方向上。此外，插管可包括至少一个控制的链接或关节(joint)，使得喷嘴具有增加的可达性。

25、根据本公开的进一步实现进一步提供了用于为外科手术机器人确定手术计划的方法。

26、一种用于确定用于外科手术机器人的手术计划的方法，该外科手术机器人利用由外科手术机器人通过表面开口插入至受试者体内的插管，该插管包括在其远侧端处的至少一个喷嘴，该至少一个喷嘴被适配以用于喷射一种或多种生物墨水以在受试者体内形成至少一层生物材料，该方法包括：

27、(i)获得受试者的三维术前图像组，

28、(ii)基于至少三维术前图像组，确定术前外科手术计划，该术前外科手术计划包括要由外科手术机器人形成的三维组织元件的至少(a)形状、(b)成分、(c)位置以及(d)尺寸，

29、(iii)根据术前外科手术计划，计算至少一个喷嘴的计划的轨迹，

30、(iv)当至少一个喷嘴穿过(traverse)计划的轨迹时，生成用于一种或多种生物墨水的喷射的计划，以用于根据术前外科手术计划在受试者体内形成至少一层生物材料，并且(v)将计划的轨迹输入至控制器，该控制器被适配以用于操纵外科手术机器人并且控制一种或多种生物墨水的喷射，使得喷嘴可协同用于喷射的计划穿过计划的轨迹，从而使得能够通过外科手术机器人在受试者体内自主地形成三维组织元件。

31、此类方法可进一步包括根据计划的轨迹确定外科手术机器人的计划的运动的步骤。此外，外科手术机器人的计划的运动可以是使得使用受试者的表面开口作为枢转点来执行喷嘴穿过轨迹所需要的插管的任何角运动。

32、此外，在上文提到的方法的任一个中，一种或多种生物墨水的粘度可以使得可在至少两种生物墨水不混合的情况下在插管内以纵向布置的层设置至少两种生物墨水。

33、根据上文所描述的方法的进一步实现，确定术前外科手术计划可包括访问医疗数据库，该医疗数据库包括多个受试者的三维图像组。在此类情况下，可通过分析来自医疗数据库的数据以确定具有积极结果的最高统计可能性的外科手术计划来执行确定术前外科手术计划。此外，在这些方法的任一个中，可使用人工智能计算计划的轨迹以及用于喷射的计划中的至少一者。

34、此外，可通过考虑以下各项中的至少一项来计算计划的轨迹：(i)避开将可能由插管损伤的禁止区域；(ii)用于形成三维组织元件的最短轨迹；以及(iii)将对受试者的健康组织造成最小创伤的轨迹。

35、根据本公开的又其他方面进一步提供了用于配置外科手术机器人系统以在受试者体内形成三维组织元件的方法，该外科手术机器人系统利用通过表面开口插入的插管，该插管被配置成用于通过喷嘴在受试者体内喷射至少两种生物墨水，该方法包括：

36、(i)获得受试者的三维术前图像组，

37、(ii)根据三维术前图像组确定外科手术计划，该外科手术计划包括三维组织元件的至少(a)形状、(b)成分、(c)位置以及(d)尺寸，

38、(iii)根据外科手术计划确定喷嘴的计划的轨迹，并且(iv)根据外科手术计划，当喷嘴穿过计划的轨迹时，提供用于至少两种生物墨水的喷射的计划，

39、其中，至少两种生物墨水在喷射之前被分层，并且根据计划的轨迹以及喷射的计划选择生物墨水的每一层的量、位置以及成分，使得可由外科手术机器人自主地形成三维组织元件。

40、在此类方法中，至少两种生物墨水的各层可沿着插管的长度被纵向地容纳，并且这些层可具有预先确定的量、成分以及顺序。替代地，在此类方法中，至少两种生物墨水的各层可被纵向地容纳在流体地连接至插管的存储体积中。也在后一情况下，各层可以沿着存储体积的长度被纵向地布置，并且具有预先确定的量、成分以及顺序。

41、最后，提供了一种用于执行用于在受试者体内生成三维组织元件的手动指令手术进程的方法，包括：

42、(1)提供插管，该插管包括在其远侧端出的至少一个喷嘴，该至少一个喷嘴被适配以用于喷射一种或多种生物墨水以在受试者体内形成至少一层生物材料，(ii)通过表面开口将插管插入受试者体内，并且(iii)操纵插管使得喷嘴跟随合适于在受试者体内生成至少一层生物材料的轨迹，并且协同喷嘴的运动喷射一种或多种生物墨水，

43、其中，使用外部设置的成像系统以验证至少喷嘴正在跟随合适于生成至少一层生物材料的轨迹，来执行该操纵。