中科大&华科：铁磁软导管机器人实现微创3D生物打印
图1. 用于微创生物打印的铁磁软导管机器人（FSCR）系统：（a）通过小切口在人体内使用功能性墨水（例如：导电聚合物和生物材料）进行微创打印的示意图，在放大的面板中，B代表磁场；（b）使用具有大切口的刚性喷嘴的传统打印系统的示意图；（c）FSCR的示意图，由软聚合物基体和分散的硬磁颗粒和聚乳酸（PLA）增强网组成。磁极沿FSCR轴向编程；（d）FSCR的数控策略，其中操作由数字数据指示。通过四个永磁体的旋转和平移来操纵FSCR。
图2. 铁磁软导管机器人设计：（a）使用注射成型方法制造PLA增强FSCR的过程。FSCRs的磁极性用M表示，被强脉冲磁场磁化至饱和后沿其轴向方向。右侧显示了各种直径（4-7 mm）和长度（80-110 mm）的FSCR；（b）在施加压力下的FSCR中印刷油墨（橙色）挤出过程示意图（左）。L是机器人长度，d和D分别是油墨挤出前后印刷通道的直径。增强型和非增强型导管（L=100mm，d=1mm，导管外径4 mm）在240 kPa压力下的实验图片（右）；（c）增强型和非增强型导管在各种施加压力下的直径膨胀比D/d；（d）延迟时间作为增强和非增强导管的施加压力的函数；（e）在240kPa压力下随时间测量的直径膨胀比D/d图；（f）在单个立方永磁体产生的不同磁场下FSCR弯曲的示意图（左）。非增强和增强导管的归一化偏转δ/L的实验测量值与归一化驱动距离H/L（右图）的关系图。
图3. FSCR的数控印刷：（a）磁控打印系统的示意图；（b）叠加磁场的XY平面（上）和XZ平面（下）中磁通密度B的等值线图，对应于a中的黄色和绿色框。箭头表示磁场矢量，背景颜色表示磁场强度，如mT中的颜色条所示；（c）图像显示了通过移动四个永磁体来控制FSCR的运动，这些永磁体具有沿x轴的平移位移和绕z轴的旋转位移。对于平移模式：当磁铁沿x轴方向平移时（用Tmag表示），FSCR的尖端移动到相同的方向（用Ttip表示）；向下位移（由Utip表示）补偿平移过程中XY平面的升力。对于旋转模式：磁场旋转θmag；FSCR的尖端通过θtip旋转到相同的方向；（d）模拟翻译过程。左图：由Tmag平移磁场时的计算Ttip。右图：随着Ttip的增加，Utip的计算补偿。颜色代表位移量级；（e）旋转过程的模拟。八种状态表明，当磁铁旋转时，FSCR的尖端以相同的角度旋转。颜色表示位移大小；（f）作为磁体位移Ttip=0.63Tmag的函数的FSCR尖端水平位移的实验和模拟结果；（g）作为磁体位移Utip=0.0028Tmag2-0.007Tmag的函数的尖端垂直位移的实验和模拟结果；（h）作为磁体旋转函数的FSCR尖端旋转位移的实验结果，θtip=θmag。
图4. 导电水凝胶在大鼠肝脏上的体内微创打印：（a）左：活鼠CT成像示意图；右图：人工气腹大鼠的CT图像；插图显示肝脏的轮廓；（b）重建大鼠肝脏的自然表面和所需的3D螺旋打印路径；（c）体内实验的实验装置的示意图和图像颜色代表高度大小；（d）左：不同时间在肝脏表面使用导电水凝胶进行微创生物打印过程的照片；大鼠肝脏表面印刷图案的右侧和图像。
参考文献：
Cheng Zhou, Youzhou Yang, Jiaxin Wang, Qingyang Wu, Zhuozhi Gu, Yuting Zhou, Xurui Liu, Yueying Yang, Hanchuan Tang, Qing Ling, LiuWang, Jianfeng Zang, Ferromagnetic soft catheter robots for minimally invasive bioprinting, Nat. Commun. 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-25386-w.