当人们听到"生物打印机"一词时，脑海中可能会浮现出明亮实验室中桌面上嗡嗡作响的笨重硬件。但洛桑联邦理工学院（EPFL）工程学院的研究人员正在颠覆这一形象，他们创造了世界上首个药丸大小的"可吞咽生物打印机"。
研究人员利用磁铁和红外激光，展示了他们如何远程引导一个胶囊（大小约相当于一颗厚实的处方药丸）到达胃肠道中的溃疡处。一旦到达指定位置，打印机就会释放一种活体"生物墨水"，促进健康细胞修复。早期测试表明，这种微型生物打印机可以帮助愈合胃肠道组织损伤，甚至可能封堵出血，而且无需侵入性手术。尽管仍处于测试早期阶段，研究人员表示，这一模型可以作为全新非侵入性治疗方法的"基础"。
这项研究结果本周发表在《先进科学》杂志上。
"通过将原位生物打印机的原理与智能胶囊的药物释放概念相结合，我们可以设想一种新型设备：药丸大小、可吞咽的生物打印机，"先进制造技术实验室负责人Vivek Subramanian在一份声明中表示。
设计一颗软糖大小的打印机
可吞咽生物打印机的想法源于医疗专业人员治疗胃肠道疾病时面临的主要障碍。2019年，全球估计有256万人死于此类疾病，其中许多与炎症性肠病和溃疡性结肠炎有关。目前的治疗方案通常侧重于管理症状，而非解决根本原因，而根本原因往往涉及潜在的组织损伤。这是因为手术修复这种损伤通常需要侵入性操作。但为患者开刀并非小型手术——它通常涉及潜在风险的麻醉，并显著增加感染风险。
但如果有一种治疗方法能从内部帮助愈合这些组织呢？这就是药丸大小的生物打印机的用武之地。首先，对术语做一个简要澄清：在他们的论文中，研究人员将生物打印机定义为"本质上是一个受控分配器，沿着至少两个轴移动以形成生物材料图案"。以此定义为基准，他们着手创建了一种弹簧加载的生物墨水胶囊，他们称之为磁性腔内沉积系统（MEDS）。
MEDS设计的功能类似于圆珠笔的弹簧加载部分。该胶囊装载了一种从海藻中提取的"生物墨水"，部署后可作为健康细胞生长的支架。墨水在内部弹簧推动下释放，类似于点击圆珠笔将墨水引出的机制。像圆珠笔一样，弹簧会回到起始点。研究人员表示，一旦墨水被排出，外科医生可以使用磁引导系统通过"相同的口服途径"回收胶囊。
MEDS特别创新之处在于，整个过程没有任何内部电子元件或连接到患者体外的系绳。相反，胶囊中嵌入的小磁铁允许手术室中的外部机械臂"引导"打印机到达目标位置。一旦就位，弹簧会被近红外（NIR）辐射激活，当外科医生从体外用NIR激光指向它时就会触发。
从胶囊中排出后，墨水在受损组织周围以特定图案分布，以确保最大覆盖范围。在溃疡的情况下，墨水既能保护伤口免受胃液暴露，也可以与额外的治疗药物结合，帮助加速愈合。研究人员在模拟胃组织中的两个人工溃疡上测试了该设备。他们还使用类似设置模拟了出血。部署时，可吞咽生物打印机能够挤出密封剂并诱导凝血，有效关闭模拟的出血。
"在我们受控的实验室实验中，我们含细胞的生物墨水保持了16天以上的结构完整性，表明它有潜力成为'微生物反应器'，可以释放生长因子并招募新细胞促进伤口愈合，"博士生Sanjay Manoharan在一份声明中表示。
将生物打印机扩展到肠道之外
研究人员希望，这种新型治疗递送方法有朝一日可用于治疗各种疾病，包括胃肠道疾病及其他，否则这些疾病将需要侵入性手术。他们已经在计划扩大测试范围，包括腹部腔室外的血管和其他组织。这样做可能需要为胶囊配备更强的磁铁，以增加其可控范围。
不过，尚不清楚的是，使用这种生物打印机的手术何时甚至是否会向公众提供。仍需进行人体临床研究，即使如此，在它被认为是一种可行的治疗选择之前还有很长的路要走。不过，参与研究的研究人员乐观地认为，MEDS为未来非侵入性生物打印系统的开发"建立了核心工程原理"。
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