Engenheiros da UNSW Sydney desenvolveram braço robótico macio em miniatura e flexível que pode ser usado para imprimir biomateriais em 3D diretamente em órgãos dentro do corpo de uma pessoa.

A bioimpressão 3D é um processo pelo qual peças biomédicas são fabricadas a partir da chamada biotinta para construir estruturas semelhantes a tecidos naturais.

A bioimpressão é predominantemente usada para fins de pesquisa, como engenharia de tecidos e no desenvolvimento de novos medicamentos – e normalmente requer o uso de grandes máquinas de impressão 3D para produzir estruturas celulares fora do corpo vivo.

A pesquisa do Laboratório de Robótica Médica da UNSW, liderada por Thanh Nho Do e o estudante Mai Thanh Thai, em colaboração com outros pesquisadores da UNSW, incluindo o professor da Scientia Nigel Lovell, Hoang-Phuong Phan e a professora associada Jelena Rnjak-Kovacina, é detalhada em artigo publicado na Advanced Science.

Seu trabalho resultou em pequena bioimpressora 3D flexível que tem a capacidade de ser inserida no corpo como um endoscópio e fornecer diretamente biomateriais multicamadas na superfície de órgãos e tecidos internos.

O dispositivo de prova de conceito, conhecido como F3DB, apresenta cabeça giratória altamente manobrável que “imprime” a biotinta, presa à extremidade de longo e flexível braço robótico semelhante a uma cobra, que pode ser controlado externamente.

A equipe de pesquisa diz que, com mais desenvolvimento e, potencialmente, dentro de cinco a sete anos, a tecnologia pode ser usada por profissionais médicos para acessar áreas de difícil acesso dentro do corpo por meio de pequenas incisões na pele ou orifícios naturais.

Do e sua equipe testaram seu dispositivo dentro de um cólon artificial, além de imprimir em 3D uma variedade de materiais com diferentes formas na superfície do rim de um porco.

As técnicas de bioimpressão 3D existentes exigem que os biomateriais sejam produzidos fora do corpo e implantá-los em uma pessoa geralmente exigiria grande cirurgia aberta de campo aberto, aumentando riscos de infecção.

Thanh Nho Do, professor sênior da Scientia na Escola de Engenharia Biomédica da UNSW (GSBmE) e Tyree Foundation Institute of Health Engineering (IHealthE)

“Nossa bioimpressora 3D flexível indica que os biomateriais podem ser entregues diretamente no tecido ou órgão-alvo com abordagem minimamente invasiva. Este sistema oferece potencial para reconstrução precisa de feridas tridimensionais dentro do corpo, como lesões na parede gástrica ou danos e doenças dentro do cólon”, continuou o Dr. Do. “Nosso protótipo é capaz de imprimir em 3D biomateriais multicamadas de diferentes tamanhos e formas em áreas confinadas e de difícil acesso, graças ao seu corpo flexível.”

“Nossa abordagem também aborda limitações significativas em bioimpressoras 3D existentes, como incompatibilidades de superfície entre biomateriais impressos em 3D e tecidos/órgãos-alvo, bem como danos estruturais durante o manuseio manual, transferência e processo de transporte”, observou Do.

Atualmente, não há dispositivos comercialmente disponíveis que possam realizar bioimpressão 3D em seu lugar original em tecidos/órgãos internos distantes da superfície da pele. Algumas outras provas de- dispositivos conceituais foram apresentados, mas são muito mais rígidos e complicados de usar em espaços complexos e confinados dentro do corpo.

Nigel Lovell, professor da Scientia, chefe do GSBmE e diretor do IHealthE

O menor protótipo F3DB produzido pela equipe da UNSW tem diâmetro semelhante aos endoscópios terapêuticos comerciais (aproximadamente 11-13 mm), pequeno o bastante para ser inserido no trato gastrointestinal humano, mas os pesquisadores dizem que ele poderia ser facilmente dimensionado para algo ainda menor para usos médicos futuros.

Robótica “‘leve”

O dispositivo possui cabeça de impressão de três eixos montada diretamente na ponta de um braço robótico macio. Essa cabeça de impressão, que consiste em músculos artificiais macios que permitem que ela se mova em três direções, funciona de maneira muito semelhante às impressoras 3D de mesa convencionais.

O braço robótico macio pode dobrar e torcer devido à hidráulica e pode ser fabricado em qualquer comprimento necessário. Sua rigidez pode ser ajustada com precisão usando diferentes tipos de tubos elásticos e tecidos.

O bico de impressão pode ser programado para imprimir formas pré-determinadas ou operado manualmente onde bioimpressão mais complexa ou indeterminada é necessária. Além disso, a equipe utilizou um controlador baseado em machine learning (aprendizado de máquina) que pode auxiliar no processo de impressão.

Para demonstrar ainda mais a viabilidade da tecnologia, a equipe da UNSW testou a viabilidade celular do biomaterial vivo após ser impresso por meio de seu sistema. Os experimentos mostraram que as células não foram afetadas pelo processo, com a maioria das células observadas vivas após a impressão. As células continuaram a crescer nos sete dias seguintes, com quatro vezes mais células observadas uma semana após a impressão.

Ferramenta cirúrgica endoscópica completa

A equipe de pesquisa também demonstrou como o F3DB poderia ser usado como ferramenta cirúrgica endoscópica completa para executar uma série de funções. Eles dizem que isso pode ser especialmente importante na cirurgia para remover certos tipos de câncer, especialmente o câncer colorretal, por meio de processo conhecido como dissecção endoscópica da submucosa (ESD).

Em todo o mundo, o câncer colorretal é a terceira causa mais comum de morte por câncer, mas a remoção precoce da neoplasia colorretal leva a aumento de pelo menos 90% na taxa de sobrevida de cinco anos do paciente.

O bocal da cabeça de impressão F3DB pode ser usado como espécie de bisturi elétrico para marcar primeiro e depois cortar as lesões cancerígenas. A água também pode ser direcionada por meio do bocal para limpar simultaneamente qualquer sangue e excesso de tecido do local, enquanto uma cicatrização mais rápida pode ser promovida pela impressão 3D imediata do biomaterial diretamente enquanto o braço robótico ainda está no lugar.

A capacidade de realizar tais procedimentos multifuncionais foi demonstrada no intestino de um porco e os pesquisadores dizem que os resultados mostram que o F3DB é candidato promissor para o desenvolvimento futuro de ferramenta cirúrgica endoscópica completa.

Comparado com as ferramentas cirúrgicas endoscópicas existentes, o F3DB desenvolvido foi projetado como ferramenta endoscópica completa que evita o uso de ferramentas mutáveis que normalmente estão associadas a tempo de procedimento mais longo e riscos de infecção.

Mai Thanh Thai, estudante do Laboratório de Robótica Médica da UNSW

A próxima etapa de desenvolvimento do sistema, que recebeu patente provisória, é o teste em animais vivos para demonstrar seu uso prático. Os pesquisadores também planejam implementar recursos adicionais, como câmera integrada e sistema de escaneamento em tempo real que reconstruiria a tomografia 3D do tecido em movimento dentro do corpo.

Via Medical Xpress

Imagem destacada: Divulgação/Dr. Thanh Do